本發(fā)明涉及光纖干涉型諧振器及光纖傳感的技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種石墨烯膜光纖法珀諧振器及其光纖干涉激振/拾振檢測(cè)方法。

背景技術(shù)：

諧振式微機(jī)械傳感器除具有普通微傳感器的優(yōu)點(diǎn)外，還具有準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出、抗干擾能力強(qiáng)、分辨力和測(cè)量精度高的優(yōu)點(diǎn)。因此，性能穩(wěn)定可靠、精度高，直接輸出頻率量的諧振式微結(jié)構(gòu)傳感器是當(dāng)今微機(jī)械傳感器研究的重點(diǎn)，近年來國(guó)內(nèi)外對(duì)諧振式微機(jī)械壓力傳感器的研究多集中于硅膜。自2004年英國(guó)曼徹斯特大學(xué)K.S.Novoselov等人發(fā)現(xiàn)石墨烯以來，圍繞該材料的機(jī)械、光學(xué)、電學(xué)與熱學(xué)等性能的研究受到人們密切關(guān)注，為傳統(tǒng)微機(jī)械諧振器因材料限制遇到的瓶頸問題帶來了新的突破，從而明顯提高諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)。

石墨烯是目前已知最薄的材料，其單層厚度僅為0.335nm(參見：Novoselov K S,Geim A K,Morozov S V,et al.Electric field effect in atomically thin carbon films[J].Science,2004,306(5696):666-669.)，也是最強(qiáng)韌的材料，斷裂強(qiáng)度比最好的鋼材還要高200倍。同時(shí)它又有很好的彈性，拉伸幅度能達(dá)到自身尺寸的20％。目前，通常采用硅微加工方法制作石墨烯微諧振器。例如，2007年J.Scott Bunch等人首次將石墨烯膜應(yīng)用于機(jī)械諧振器(參見：J Scott B,Zande A M V D,Verbridge S S,et al.Electromechanical resonators from graphene sheets[J].Science,2007,315(5811):490-493.)，在設(shè)有凹槽的SiO₂上兩端固支石墨烯，用電驅(qū)動(dòng)使其振動(dòng)，采用空間光學(xué)裝置拾取其機(jī)械振動(dòng)；2010年美國(guó)A.M.van der Zande等人利用CVD方法制作了兩邊固支和四邊固支的石墨烯諧振器(參見：Am V D Z,Barton R A,Alden J S,et al.Large-scale arrays of single-layer graphene resonators[J].Nano Letters,2010,10(12):4869-4873.)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，四邊固支的正方形諧振器可獲得兩倍于基頻的高階共振膜，且比兩邊固支具有更高的品質(zhì)因數(shù)；2013年韓國(guó)J.W.Kang等人利用分子動(dòng)力學(xué)方法對(duì)石墨烯膜諧振器進(jìn)行了仿真分析(參見：Kang J W,Kim H W,Kim K S,et al.Molecular dynamics modeling and simulation of a graphene-based nanoelectromechanical resonator[J].Current Applied Physics,2013,13(4):789-794.)，結(jié)果表明，諧振器的基頻和作用在兩邊的平均張力密切相關(guān)，初始應(yīng)變引起的張力可通過石墨烯的負(fù)熱膨脹系數(shù)和基底的正熱膨脹系數(shù)進(jìn)行調(diào)整。2014年加拿大M.A.N.Dewapriya等人利用分子動(dòng)力學(xué)仿真研究了溫度以及邊緣效應(yīng)對(duì)石墨烯膜諧振特性的影響(參見：Dewapriya M A N,Phani AS,Rajapakse R K N D.Influence of temperature and free edges on the mechanical properties of graphene[J].Modelling&Simulation in Materials Science&Engineering,2013,21(6):2848-2855.)。總之，相關(guān)研究表明，國(guó)內(nèi)外將新型材料石墨烯膜用于諧振器的研究尚處于理論仿真與特性實(shí)驗(yàn)階段，所采用的諧振器加工制作難度大、工藝設(shè)備要求高，且多基于電學(xué)激振/拾振方法。因此，本發(fā)明基于以石墨烯膜為敏感材料的諧振器，利用石墨烯超薄的厚度和良好的機(jī)械力學(xué)特性，引入光纖干涉方法，提出了一種石墨烯膜光纖FP諧振器及其激振/拾振檢測(cè)方法，具有制作簡(jiǎn)單、高靈敏度、體積小、功耗低、準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的內(nèi)容是提出一種制作方法能夠制作出簡(jiǎn)單、性能優(yōu)良的石墨烯膜光纖FP諧振器，并提出相應(yīng)的光纖干涉激振/拾振檢測(cè)方法。該諧振器由石墨烯膜、單模光纖、光纖插芯、插芯匹配套管等構(gòu)成，可解決現(xiàn)有方法中石墨烯膜MEMS/NEMS諧振器的加工制作難度大、成本高問題，同時(shí)光纖干涉激振/拾振檢測(cè)方法具有可靠性高、在線測(cè)量、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，并可解決現(xiàn)有基于空間光學(xué)的激振/拾振檢測(cè)存在的測(cè)試裝置復(fù)雜、不利于現(xiàn)場(chǎng)在線測(cè)量等實(shí)用性問題。

本發(fā)明的目的之一在于提出一種石墨烯膜光纖FP諧振器及其制作方法；本發(fā)明的目的之二在于提出一種石墨烯膜光纖FP諧振器的激振/拾振檢測(cè)方法。

本發(fā)明的目的之一是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

一種石墨烯膜光纖法珀(Farbry-Perot,FP)諧振器，該諧振器的制作方法包括以下步驟：

步驟1.諧振器組件選型：選用石墨烯膜、插芯匹配套管、光纖插芯和單模光纖，所述的插芯匹配套管的底面為C型，所述的光纖插芯為氧化鋯陶瓷插芯，所述的石墨烯膜的形狀為梁式、圓形、方形、異形或上述不同形狀的組合；

步驟2.對(duì)所述的光纖插芯端面進(jìn)行超聲、丙酮、去離子水清洗；之后，將單模光纖的尾端用光纖切割刀切平，通過端面檢測(cè)儀或顯微鏡檢測(cè)光纖插芯端面和單模光纖尾端切平后端面的平整度；

步驟3.將所述的石墨烯膜轉(zhuǎn)移吸附至處理后的光纖插芯端面；

步驟4.將步驟3所述的吸附有石墨烯膜的光纖插芯與另一裸光纖插芯，分別從插芯匹配套管的兩端插入，其中，兩個(gè)光纖端面的距離相距在1mm左右；

步驟5.將端面處理過的單模光纖插入步驟4所述的裸光纖插芯，則由單模光纖端面和石墨烯膜構(gòu)成法布里-珀羅干涉腔；

步驟6.可在光纖插芯尾端與單模光纖的連接處涂環(huán)氧樹脂或利用激光熔接進(jìn)行固定，完成石墨烯膜諧振器的制作。

其中，所述的石墨烯膜為單層、少層或多層石墨烯膜；所述的光纖插芯的端面為PC拋光端面，所述的單模光纖為帶單模尾纖的光纖接頭。

其中，所述的插芯及其匹配套管可選用的材料包括但不限于SiO₂、ZrO₂陶瓷、玻璃和塑料。

其中，所述的干涉腔可為傳統(tǒng)的封閉式，或非封閉式，所述的非封閉式干涉腔便于石墨烯膜兩側(cè)腔體與真空環(huán)境連通，降低空氣阻尼。

其中，所述的干涉腔初始腔長(zhǎng)的測(cè)量方法在于：利用寬帶光源、環(huán)行器、光譜儀和三維光纖微動(dòng)平臺(tái)等對(duì)單模光纖端面與石墨烯膜端面間干涉腔長(zhǎng)進(jìn)行檢測(cè)，并利用光信號(hào)相位解調(diào)中的雙峰法對(duì)干涉光譜信號(hào)的解調(diào)，則腔長(zhǎng)L可表示為：

式中，λ₁，λ₂是干涉光譜的兩個(gè)相鄰的峰峰值或者最小值，即將多光束光干涉近似為雙光束光干涉，通過峰值對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)計(jì)算腔長(zhǎng)，取干涉對(duì)比度K為：

式中，I_max，I_min分別為對(duì)應(yīng)腔長(zhǎng)位置的最大光強(qiáng)和最小光強(qiáng)值，K值表征的是干涉場(chǎng)中干涉條紋亮暗的對(duì)比程度，通過計(jì)算K值接近于1的程度，分析干涉條紋性能，確定最佳干涉腔腔長(zhǎng)。

本發(fā)明的目的之二是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

一種光纖干涉激振/拾振檢測(cè)方法，由DFB激光器、電光調(diào)制器、摻鉺光纖放大器、耦合器、環(huán)形器、光電探測(cè)器、鎖相放大器和帶通濾波器等搭建而成光纖干涉激振/拾振裝置，通過調(diào)節(jié)光學(xué)激振裝置的激勵(lì)頻率，引起石墨烯膜諧振器的敏感膜片的受迫振動(dòng)，利用光學(xué)拾振裝置獲取薄膜的振動(dòng)頻率與幅值比，根據(jù)幅值比最大值處的振動(dòng)頻率，則時(shí)域內(nèi)膜片的振動(dòng)位移δ_m可表示為：

式中，A為膜片振動(dòng)位移幅值；f為膜片振動(dòng)頻率；為初始相位角；t表示時(shí)間。

該膜片的位移變化導(dǎo)致FP干涉腔的腔長(zhǎng)也呈周期性改變，利用帶通濾波器濾去激勵(lì)激光，則獲取的檢測(cè)波長(zhǎng)的反射信號(hào)I_r近似為：

式中，R₁和R₂分別為石墨烯膜和光纖端面的反射率，ξ為FP腔損耗，λ為入射光波長(zhǎng)，I_i為入射光強(qiáng)度，將信號(hào)I_r通過光電探測(cè)器饋入鎖相放大器以提取石墨烯膜的振動(dòng)頻率變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)石墨烯膜光纖FP諧振器的激振/拾振，從而可基于諧振頻率變化獲取被測(cè)量信息。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：本發(fā)明采用單層、少層或多層的石墨烯膜制作光纖干涉型諧振器。所用敏感材料——石墨烯膜，相對(duì)于目前的石英膜、硅膜等，具有超薄的厚度和優(yōu)越的機(jī)械力學(xué)特性；利用法布里-珀羅干涉原理，同時(shí)引入插芯匹配套管，在插芯匹配套管中單模光纖端面-空氣-石墨烯膜界面形成開放式F-P腔結(jié)構(gòu)，從而提升了諧振器在真空環(huán)境工作的諧振性能，具有制作簡(jiǎn)單、體積小、性價(jià)比高、在線測(cè)量、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于航空航天、生物醫(yī)學(xué)、工業(yè)控制等領(lǐng)域。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的石墨烯膜光纖FP諧振器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的石墨烯膜光纖FP諧振器制作流程圖；

圖3為本發(fā)明的石墨烯膜光纖FP諧振器的激振/拾振檢測(cè)方法原理示意圖。

圖中附圖標(biāo)記含義為：11為石墨烯膜，12為插芯匹配套管，13為光纖插芯，131為光纖插芯13的端面，132為光纖插芯13的另一側(cè)端面，14為光纖插芯，141為氧化鋯單模插芯PC端面，142為，15為單模光纖，151為單模光纖尾端，16為諧振器探頭部分，17為環(huán)氧樹脂，18為單模光纖的尾纖，20為石墨烯膜光纖FP諧振器，21為激勵(lì)DFB激光器，22為檢測(cè)DFB激光器，23為電光調(diào)制器，24為摻鉺光纖放大器，25為耦合器，26為環(huán)形器，27為光電探測(cè)器，28為鎖相放大器，29為帶通濾波器。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明，其作為本說明書的一部分，通過實(shí)施來說明本發(fā)明的原理，本發(fā)明的其他方面、特征及其優(yōu)點(diǎn)通過該詳細(xì)說明將會(huì)變得一目了然。

圖1為本發(fā)明的石墨烯膜諧振器結(jié)構(gòu)示意圖。該諧振器探頭部分16主要由石墨烯膜11、插芯匹配套管12、光纖插芯13、光纖插芯14和單模光纖15構(gòu)成。所述的石墨烯膜11可為單層、少層或多層，其形狀可為梁式、圓形、方形、異形或上述不同形狀的組合；所述的插芯匹配套管12的底面為C型，其外徑3.2±0.02mm、內(nèi)徑2.45±0.02mm，其材質(zhì)可為SiO₂、ZrO₂陶瓷、玻璃、塑料或其他材料；所述的光纖插芯13與光纖插芯14的一端為PC拋光端面，其外徑2.5mm、內(nèi)徑126±1μm，其材質(zhì)同插芯匹配套管12，可為氧化鋯陶瓷、玻璃、塑料或其他材料；所述的單模光纖15為帶單模尾纖18的光纖接頭，該單模尾纖18為單模裸光纖，外徑為125±0.7μm，纖芯為10.4±0.5μm。

根據(jù)圖2所示的流程，對(duì)所述的光纖插芯、單模光纖的端面進(jìn)行端面平整度和清潔度處理。所述的光纖插芯14端面的處理為：利用丙酮溶液對(duì)氧化鋯單模插芯PC端面141進(jìn)行超聲清洗處理，時(shí)間約為10min；然后，去離子水進(jìn)行二次清洗。所述的單模光纖15端面的處理為：利用光纖切割刀將一段單模光纖尾端151切平，預(yù)留約為1cm的裸纖，使其端面和光纖軸向傳輸方向垂直。所述的單模光纖15端面平整度檢測(cè)為：利用熔接機(jī)對(duì)光纖端面進(jìn)行檢測(cè)或重新切割。

接下來，將石墨烯膜11轉(zhuǎn)移至光纖插芯14的拋光PC端面141，以銅基石墨烯膜為例。所述的轉(zhuǎn)移方法為：首先，利用硫酸銅:鹽酸:水的配比為10g:50ml:50ml的溶液腐蝕銅基底，時(shí)間約為20min；然后，將腐蝕完銅基的石墨烯轉(zhuǎn)移至去離子水中清洗，約3～5次；之后，在去離子水中翻轉(zhuǎn)石墨烯膜，使其一面朝上，借助石墨烯膜的分子間范德華力，利用氧化鋯插芯端面吸附石墨烯膜；最后，將吸附好石墨烯膜的氧化鋯插芯轉(zhuǎn)移到丙酮中去除PMMA，將吸附石墨烯膜成功的插芯放入烘箱中干燥約10分鐘，控制溫度不要超過50℃。

再結(jié)合圖2，將光纖插芯13與光纖插芯14分別從插芯匹配套管12的兩端插入，兩個(gè)光纖插芯端面相距約1mm。然后，將端面已處理過的單模光纖15從光纖插芯13的端面131插入，利用光譜儀動(dòng)態(tài)檢測(cè)單模光纖的端面151與石墨烯膜11之間的FP腔長(zhǎng)，從而構(gòu)成光纖15-空氣-石墨烯膜11的干涉腔。最后，采用環(huán)氧樹脂17對(duì)單模光纖15和光纖插芯13進(jìn)行粘接固定，完成石墨烯膜光纖FP諧振器的制作。

圖3示出了石墨烯膜光纖FP諧振器激振/拾振檢測(cè)方法原理示意圖。該方法采用基于激勵(lì)DFB激光器21、檢測(cè)DFB激光器22、電光調(diào)制器23(型號(hào)：KG-AMBOX-15-10G-PS-FA)、摻鉺光纖放大器24、耦合器25、環(huán)形器26、光電探測(cè)器27(型號(hào)：DET01CFC)、鎖相放大器28(型號(hào)：HF2LI)和帶通濾波器29等搭建而成的光纖式干涉激振/拾振裝置。所述鎖相放大器28輸出掃頻信號(hào)到電光調(diào)制器23，并加載至激勵(lì)DFB激光器21以調(diào)制激勵(lì)激光的光強(qiáng)呈周期性變化，調(diào)制后的激勵(lì)激光經(jīng)摻鉺光纖放大器24放大，與檢測(cè)激光在耦合器25中耦合，經(jīng)過環(huán)形器26照射至石墨烯膜光纖FP諧振器20的石墨烯薄膜，使之產(chǎn)生受迫簡(jiǎn)諧振動(dòng)，從而周期性改變FP腔的腔長(zhǎng)。由于激勵(lì)DFB激光器21(如，1550.12nm)和檢測(cè)DFB激光器22(如，1551.72nm)的波長(zhǎng)不同，利用帶通濾波器29可濾去激勵(lì)激光，濾波后光電信號(hào)饋入光電探測(cè)器27，利用鎖相放大器28進(jìn)行信號(hào)采集，可提取石墨烯膜的振動(dòng)頻率，實(shí)現(xiàn)對(duì)石墨烯膜光纖FP諧振器的激振/拾振，進(jìn)而可基于諧振頻率變化獲取被測(cè)量信息。該測(cè)量方法具有安裝簡(jiǎn)單、可靠性高、體積小、在線測(cè)量、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于航空航天、生物醫(yī)學(xué)、工業(yè)控制等領(lǐng)域。