《Journal of Non-Crystalline Solids》：High-power laser delivery in nuclear environment using radiation-hardened fibers via controlled chlorine and hydroxyl content
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激光切割核燃料棒金属包覆的优化光纤制备及辐射效应研究。采用VAD法合成三种不同OH/Cl含量玻璃，通过rod-in-tube法制备100μm芯径三重cladding光纤，系统研究杂质对光纤激光传输性能和抗辐射性的影响。结果表明中等OH且无Cl的玻璃在100kGy辐照下仍保持低衰减（<10dB/km）和高功率阈值（>3kW/cm2），其辐射损伤机制与Cl含量引发的F团簇缺陷和OH浓度决定的声子辅助复合过程相关。
陈一聪|沈明辉|李欣|邵崇云|王帆|陈琦|张雷|王萌|于春雷|郑伟芳|胡莉莉
中国科学院上海光学精密机械与物理研究所先进激光与光电功能材料研究室，上海，201800，中国
摘要 可以使用光纤激光器安全高效地切割核电站用乏核燃料棒的金属包壳。因此，开发能够在高辐射环境中传输高功率激光的光纤具有重要意义。然而，光纤中固有的羟基（OH）和氯（Cl）杂质会对其辐射抗性产生不利影响。为了制造具有高辐射抗性的光纤，本研究采用气相轴向沉积（VAD）方法制备了一系列不同Cl/OH含量的玻璃样品。通过吸收光谱、光致发光光谱、电子顺磁共振（EPR）和光热吸收显微镜研究了不同杂质浓度样品的光学性质及其背后的机制。采用管中棒法制备了芯径为100 μm的被动传输光纤，研究了OH和Cl杂质对光纤衰减、激光传输性能和温度上升系数的影响。结果表明，中等OH含量且不含Cl的光纤的辐射抗性远优于低OH含量、高Cl含量的光纤。本研究为在高辐射环境下应用高功率激光技术提供了参考。
引言 随着第四代核反应堆和国际热核实验反应堆（ITER）等重大科学项目的推进，迫切需要能够在极端辐射环境中稳定运行的高功率激光传输介质[1,2]。例如，快中子反应堆是第四代核能系统的基石，其封闭燃料循环可实现高达60%的铀利用率[3]。燃料循环需要拆解和回收乏燃料棒。然而，传统的机械剪切方法容易导致燃料棒变形和开裂，从而影响后续处理。激光切割具有非接触、高精度且无残余应力的优点，更适合这一过程[[4], [5], [6], [7], [8]]。然而，快中子反应堆乏燃料的高辐射剂量率要求在热室内进行远程操作。目前，商用光纤缺乏在如此强烈的放射性环境中传输高功率激光的能力[9]。主要原因如下：1）严重的辐射诱导变暗。在100 kGy的辐射剂量下，传统光纤在1 μm波长带的光学损耗超过100 dB/km[10,11]；2）功率处理能力不足。传统单模光纤的小芯径（约10 μm）使其无法传输超过1 kW的高功率激光；3）未能在高功率激光传输性能和辐射抗性之间取得最佳平衡。
目前，大多数商用耐辐射光纤的芯材由纯石英或轻微氟（F）掺杂的石英制成，包层由重氟掺杂的石英制成。与传统锗掺杂光纤相比，这种设计显著提高了辐射抗性[12]。然而，为了实现全内反射，芯材和包层材料之间的氟浓度存在显著差异，导致粘度和热膨胀系数也存在显著差异。在光纤拉制过程中，应力集中在光纤芯部，导致悬挂键缺陷的浓度增加[13,14]。此外，包层中的氟挥发容易在光纤中产生气泡。这些因素共同降低了石英光纤的传输性能。此外，大多数这类光纤是小芯径的单模光纤，由于非线性效应的限制，不适合高功率激光传输。
大芯径激光传输光纤通常采用气相轴向沉积（VAD）工艺制备芯材玻璃，采用外延气相沉积（OVD）工艺制备包层玻璃。在沉积过程中，通常使用氢氧火焰加热SiCl?，使其反应生成多孔SiO?烟体。这一过程不可避免地引入了羟基（OH）和氯（Cl）杂质。此外，使用Cl?脱水时还会引入额外的Cl杂质。相应的化学反应如下：
SiC l 4 + H 2 + O 2 → heat Si O 2 + HCl + ≡ Si ? OH + ≡ Si ? Cl
