一種基于石墨烯涂覆傾斜光纖光柵的液體折射率傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于石墨烯涂覆傾斜光纖光柵的液體折射率傳感器，屬于光纖傳感器領(lǐng)域，特別涉及一種用于低折射率測量的光纖光柵傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]傾斜光纖光柵是一種柵面與光纖軸向有一定夾角的特殊短周期光纖光柵。由于其柵面相對于光纖軸有一定傾斜，導(dǎo)致在光纖中前向傳輸?shù)娜肷涔獬艘徊糠直挥H合為滿足布拉格條件的反向傳輸纖芯模外，還有另一部分被耦合為一系列反向傳輸?shù)陌鼘幽?。由于不同的模式特征對外界環(huán)境有不同的敏感性，并且包層模式的有效折射率極易受到環(huán)境折射率的影響，使得包層模式的諧振波長和耦合強度對環(huán)境折射率的變化非常敏感。
[0003]通常的傾斜光纖光柵液體折射率傳感器，對周圍環(huán)境折射率的感知范圍較小，并且主要集中在與光纖包層折射率接近的高折射率區(qū)域(1.40?1.45)，而在低折射率區(qū)域(1.33?1.40)的感知能力較差。也就是說，對于環(huán)境監(jiān)測、生命科學等領(lǐng)域中所關(guān)心的低折射率區(qū)域，尤其是大量物質(zhì)分子所存在的水溶液，通常的傾斜光纖光柵具有較低的感知靈敏度。目前，提高傾斜光纖光柵對低折射率區(qū)域感知靈敏度的方法主要有:(1)增加傾斜光纖光柵的傾斜角度，使得包層模向短波長區(qū)域移動，然而，由于短波長的耦合強度較弱，這種柵面具有較大傾斜角度的光纖光柵在低折射率區(qū)域仍然難以達到在接近包層折射率時的靈敏度；(2)減小傾斜光纖光柵的包層或纖芯直徑，通過增強其倏逝場強度，可在一定程度上擴展折射率的測量范圍，但是，該方法仍不能從根本上改變傾斜光纖光柵對低折射率區(qū)域靈敏度低的情況，并且還容易受到外界環(huán)境溫度的影響。因此，開發(fā)一種能夠?qū)Φ驼凵渎蕝^(qū)域敏感，且不受外界環(huán)境溫度變化影響的傾斜光纖光柵液體折射率傳感器，具有廣泛的應(yīng)用價值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]要解決的技術(shù)問題
[0005]為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種基于石墨烯涂覆傾斜光纖光柵的液體折射率傳感器，通過在傾斜光纖光柵表面涂覆石墨烯涂層，改變傾斜光纖光柵的倏逝場分布和對外界環(huán)境的敏感特性，最終實現(xiàn)一種在低折射率區(qū)域具有較高靈敏度，且不受環(huán)境溫度影響的液體折射率傳感器。
[0006]本發(fā)明的思想在于:通過將石墨烯材料涂覆在傾斜光纖光柵上，改變傾斜光纖光柵的倏逝場分布和透射光譜特征，當外界環(huán)境參數(shù)(如分子濃度，溶液折射率等)改變時，會導(dǎo)致石墨烯的復(fù)介電常數(shù)發(fā)生改變，由此引起光纖包層的有效折射率隨之發(fā)生改變，從而導(dǎo)致傾斜光纖光柵的包層模諧振波長移動和耦合強度變化。通過提取和分析包層模諧振波長、耦合強度以及包層模上下包絡(luò)歸一化面積等光譜特征量，即可獲得外界環(huán)境液體折射率的變化值。
[0007]技術(shù)方案
[0008]—種石墨烯涂覆傾斜光纖光柵的液體折射率傳感器，其特征在于:由寬帶光源1、單模光纖2、傾斜光纖光柵3、樣品池5和光譜分析儀6組成；寬帶光源I通過單模光纖2與傾斜光纖光柵3的一端連接，傾斜光纖光柵3的另一端通過單模光纖2與光譜分析儀6連接。傾斜光纖光柵3從樣品池5的兩壁小孔中穿過，并用結(jié)構(gòu)膠將小孔密封，且保持傾斜光纖光柵的軸向位于水平面內(nèi)。
[0009]所述傾斜光纖光柵的表面涂覆有多層石墨烯(典型值為5層)涂層，其厚度為2?5nm0
[0010]所述傾斜光纖光柵的柵面傾斜角度為4?10°，長度為5?15_。
[0011]所述樣品池為方形或圓柱形容器，其兩個相對側(cè)壁開有0.5mm的小孔，用于引入和引出傾斜光纖光柵。
[0012]所述樣品池在液體原位測量中可以去掉，直接將含有石墨烯涂覆層的傾斜光纖光柵浸入待測液體中，不需要將液體取樣注入樣品池中。
[0013]本發(fā)明的工作原理是:寬帶光源I發(fā)出寬帶光信號，通過單模光纖2進入傾斜光纖光柵3，傾斜光纖光柵3穿過樣品池5兩側(cè)壁，自傾斜光纖光柵3透射的光信號經(jīng)單模光纖2進入光譜分析儀6。當在樣品池5中注入不同折射率的液體時，采用光譜分析儀6監(jiān)測傾斜光纖光柵3透射光信號的光譜特征變化。
[0014]有益效果
[0015]本發(fā)明提出的一種基于石墨烯涂覆傾斜光纖光柵的液體折射率傳感器，將外界環(huán)境液體折射率的變化轉(zhuǎn)化為光柵透射譜包層模歸一化面積的變化等光譜特征，通過測量其光譜特征的變化實現(xiàn)對液體折射率變化的監(jiān)測。通過石墨烯涂覆層對光纖包層模折射率的調(diào)制，擴大了該傳感器對折射率的敏感區(qū)域，并且向低折射率區(qū)域移動，從而避免了采用裸傾斜光纖光柵測量液體折射率時，只對光纖包層折射率附近區(qū)域敏感而對低折射率區(qū)域不敏感的不足。此外，該傳感器還具有靈敏度高、測量范圍大、適合在低折射率區(qū)域的液體環(huán)境下進行直接的連續(xù)測量。
【附圖說明】
[0016]圖1是基于石墨烯涂覆傾斜光纖光柵的液體折射率傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖2是石墨烯涂覆傾斜光纖光柵的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖3是采用石墨烯涂覆傾斜光纖光柵和裸傾斜光纖光柵對液體折射率響應(yīng)的光譜圖。圖3(a)和圖3(b)分別對應(yīng)石墨烯涂覆傾斜光纖光柵和裸傾斜光纖光柵的響應(yīng)光譜。
[0019]圖4是采用石墨烯涂覆傾斜光纖光柵和裸傾斜光纖光柵時，其透射光譜的包層模上下包絡(luò)歸一化面積的折射率響應(yīng)對比曲線。
[0020]其中:1_寬帶光源；2_單模光纖；3_傾斜光纖光柵；4_待測溶液樣品；5_樣品池；6-光譜分析儀。
【具體實施方式】
[0021]現(xiàn)結(jié)合實施例、附圖對本發(fā)明作進一步描述:
[0022]參見附圖1，基于石墨烯涂覆傾斜光纖光柵的液體折射率傳感器包括寬帶光源1、單模光纖2、傾斜光纖光柵3、樣品池5和光譜分析儀6。其中，寬帶光源I通過單模光纖2連接石墨烯涂覆的傾斜光纖光柵3 —端，傾斜光纖光柵3的另一端通過單模光纖2接入光譜分析儀6，進行透射光譜的監(jiān)測和記錄。通過在樣品池5 (兩側(cè)的小孔使用紫外固化膠密封)中分別依次注入具有不同折射率的溶液(如不同濃度的水和甘油混合溶液。樣品池在液體原位測量中可以去掉，直接將含有石墨烯涂覆層的傾斜光纖光柵浸入待測液體中)，通過光譜分析儀6記錄不同溶液折射率情況下傾斜光纖光柵的透射光譜，如附圖3所示。將這些光譜數(shù)據(jù)輸入計算機數(shù)據(jù)分析處理軟件，通過提取包層模上下包絡(luò)面積并做歸一化處理，得到歸一化包絡(luò)面積隨折射率變化的響應(yīng)曲線，如附圖4所示。
[0023]本實施例中選用的寬帶光源I為光譜范圍在1510?1610nm的放大自發(fā)輻射(ASE)光源，單模光纖2為普通SMF125光纖，傾斜光纖光柵3(放大結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示:其中，7為光纖纖芯，8為傾斜光纖光柵柵面，9為光纖包層，10為石墨烯涂覆層。)的柵區(qū)長度為15_，柵面傾斜角度為6°，其表面涂覆五層石墨烯(由氣相沉積法制備)，厚度為2nm，光譜分析儀掃描精度為0.02nm。圖3給出了具有石墨烯涂覆層的傾斜光纖光柵和裸傾斜光纖光柵分別依次浸入不同折射率溶液時的透射光譜，橫坐標為光波長，縱坐標為透射光譜強度。為了區(qū)分不同外界環(huán)境折射率(SRI)時透射光譜的變化情況，對透射譜光曲線的縱坐標依次添加了 33dB的偏移量，如SRI = 1.333時的光譜相對SRI = 1.000時的光譜增加33dB的偏移。附圖3(a)為石墨烯涂覆的傾斜光纖光柵對不同折射率的光譜響應(yīng)，可以看出，在低折射率區(qū)域(I?1.413)，包層模具有明顯的變化。附圖3(b)為裸傾斜光纖光柵對不同折射率的光譜響應(yīng)，可以看出，在低折射率區(qū)域(I?1.413)，光譜幾乎不發(fā)生變化。附圖4給出了采用石墨烯涂覆的傾斜光纖光柵(曲線B)和裸傾斜光纖光柵(曲線A)時，其透射光譜的包層模上下包絡(luò)歸一化面積的折射率響應(yīng)曲線，其中橫坐標為折射率，縱坐標為包層模上下包絡(luò)的歸一化面積。從附圖4中可以看出，在低折射率區(qū)域，裸傾斜光纖光柵透射光譜中的包層模上下包絡(luò)歸一化面積幾乎不變，也就是說，裸傾斜光纖光柵對外界環(huán)境折射率不敏感；然而，含有石墨烯涂覆層的傾斜光纖光柵透射光譜的歸一化面積隨折射率的變化發(fā)生了明顯改變，這表明，石墨烯涂覆層的增加，提高了傾斜光纖光柵在低折射率區(qū)域的感知能力。因此，通過在傾斜光纖光柵的表面涂覆多層石墨烯，能夠?qū)崿F(xiàn)其敏感區(qū)域從高折射率區(qū)域(1.413?1.462)向低折射率區(qū)域(I?1.413)移動和拓展，因而，對于生化傳感領(lǐng)域中所關(guān)心的低折射率區(qū)域，其感知能力增強。
【主權(quán)項】
1.一種基于石墨烯涂覆傾斜光纖光柵的液體折射率傳感器，其特征在于:由寬帶光源(I)、單模光纖(2)、傾斜光纖光柵(3)、樣品池(5)和光譜分析儀(6)組成；寬帶光源(I)通過單模光纖(2)與傾斜光纖光柵(3)的一端連接，傾斜光纖光柵(3)的另一端通過單模光纖(2)與光譜分析儀(6)連接；傾斜光纖光柵(3)從樣品池(5)的兩壁小孔中穿過，并用結(jié)構(gòu)膠將小孔密封，且保持傾斜光纖光柵的軸向位于水平面內(nèi)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于石墨烯涂覆傾斜光纖光柵的液體折射率傳感器，其特征在于:所述傾斜光纖光柵(8)的柵面傾斜角度為4?10°，長度為5?15_。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于石墨烯涂覆傾斜光纖光柵的液體折射率傳感器，其特征在于:傾斜光纖光柵的表面涂覆有典型值為5層的石墨烯涂層(10)，其厚度為2?5nm04.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于石墨烯涂覆傾斜光纖光柵的液體折射率傳感器，其特征在于:所述樣品池(5)為方形或圓柱形容器，其兩個相對側(cè)壁開有0.5_的小孔，用于引入和引出傾斜光纖光柵。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于石墨烯涂覆傾斜光纖光柵的液體折射率傳感器，其特征在于:所述樣品池(5)在液體原位測量中可以去掉，直接將含有石墨烯涂覆層的傾斜光纖光柵浸入待測液體中，不需要將液體取樣注入樣品池(5)中。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于石墨烯涂覆傾斜光纖光柵的液體折射率傳感器，將石墨烯涂覆于傾斜光纖光柵柵區(qū)表面，通過改變傾斜光纖光柵的倏逝場分布和透射光譜特征，擴大其感測周圍液體環(huán)境折射率的敏感區(qū)域，并向低折射率區(qū)域移動。當外界環(huán)境參數(shù)(如分子濃度，溶液折射率等)改變時，會導(dǎo)致石墨烯的復(fù)介電常數(shù)發(fā)生改變，由此引起光纖包層的有效折射率隨之發(fā)生改變，從而導(dǎo)致傾斜光纖光柵的包層模諧振波長移動和耦合強度變化。通過提取和分析包層模諧振波長、耦合強度以及包層模上下包絡(luò)歸一化面積等光譜特征量，即可獲得外界環(huán)境液體折射率的變化值。最終實現(xiàn)一種在低折射率區(qū)域具有較高靈敏度，且不受環(huán)境溫度影響的液體折射率傳感器。
【IPC分類】G01N21/41
【公開號】CN105136741
【申請?zhí)枴緾N201510228360
【發(fā)明人】趙建林, 魯鑫, 姜碧強, 衛(wèi)珂言
【申請人】西北工業(yè)大學
【公開日】2015年12月9日
【申請日】2015年4月30日