基于石墨烯SPR长周期光纤光栅传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于石墨烯SPR长周期光纤光栅传感器，包括输入光纤，长周期光纤光栅探头和输出光纤；输入光纤与长周期光栅探头的一端连接，长周期光栅探头的另一端与输出光纤连接；该长周期光纤光栅探头的栅区侧面镀有石墨烯层，石墨烯厚度为3‑30nm。光经输入光纤进入长周期光纤光栅探头中，激发栅区侧面的石墨烯层产生表面等离子体共振现象。本发明专利技术的传感器具有测量精度和灵敏度较高、稳定性高以及无损检测等特点，可以用于实时检测。

Long period fiber grating sensor based on graphene SPR

The invention discloses a long period fiber grating sensor based on graphene SPR, which comprises an input fiber, a long period fiber grating probe and an output fiber; an input fiber is connected with one end of the long period fiber grating probe, and the other end of the long period fiber grating probe is connected with the output fiber; and the grating side of the long period fiber grating probe. Graphene layer is coated with graphene thickness of 3 30nm. When the light passes through the input fiber into the long period fiber grating probe, surface plasmon resonance (SPR) occurs in the graphene layer on the side of the grating region. The sensor of the invention has the characteristics of high measurement accuracy and sensitivity, high stability and nondestructive testing, and can be used for real-time detection.

【技术实现步骤摘要】
基于石墨烯SPR长周期光纤光栅传感器
本专利技术属于光纤传感
，涉及一种表面等离子体共振(SPR)的长周期光纤光栅传感器，特别涉及基于石墨烯(graphene)表面等离子体共振的长周期光纤光栅传感器。
技术介绍
表面等离子体共振(SPR：SurfacePlasmonResonance)是一种物理光学现象，能通过衰减全反射进行观测，电磁波(光波)产生表面等离子体共振时将破坏全反射的条件，导致反射光能量急剧下降，在反射谱上出现共振峰。基于表面等离子体共振原理的传感器主要有棱镜型SPR传感器、光纤型SPR传感器和光纤光栅型SPR传感器。相对于棱镜型SPR传感器而言，光纤型SPR传感器中光纤既可以作为光的传输介质又能作为激发SPR效应的基体，巧妙的将光纤的优点与SPR效应结合在一起构成光纤SPR传感器；但是传统光纤SPR传感器存在相位匹配的难题，一些研究者尝试了在光纤纤芯中引入周期性的折射率调制，即通过写入光纤光栅来更高效率地激发表面等离子体并使其满足相位匹配条件1987年，Tiefenthaler等人提出了将衍射光栅作为光波耦合元件的SPR传感器；Homola等人分析比较了光栅耦合法和棱镜耦合法的灵敏度，采用曲面衍射光栅耦合法则可提供很高的信噪比，获得很高的灵敏度；1997年Nikitin等人开发了基于肖特基结构的衍射光栅型SPR传感器，利用微电子加工技术在硅片上镀上一层40nm金膜将SPR效应转成电信号输出，同时用光谱分析仪器检测表面增强拉曼散射，利用得到的电压——角度曲线和拉曼谱线两类数据，相互补充，用于反应机理和反应过程分析。现有的研究大都以金属膜(金、银)作为提供SPR效应的主体，但由于金膜比表面积较小，在生物检测时，表面固定分子数较少导致基于金膜的SPR传感器灵敏度较低，而银膜SPR传感器又容易被氧化，因此为了制备一种稳定高敏的SPR传感器具有巨大的意义。石墨烯是单层碳原子以sp2杂化轨道紧密堆积成的二维蜂窝状晶格结构材料，具有独特的零带隙能带结构、优异的机械性能、超高的热导率、极大的比表面积、超宽带的光学响应谱及极强的非线性光学特性，使其在新型光学和光电传感领域具有显著的优势。相对于普通的金属SPR长周期光纤光栅传感器，基于石墨烯的SPR长周期光纤光栅传感器具有以下几个方面的优势：(1)石墨烯具有非常高的表面-体积比率，使其对周围环境十分敏感，并可以吸附多种粒子，包括气体分子、重金属离子、有机染料、蛋白质等；相对于金镀层来说对能更加有效地固定生物分子。(2)石墨烯可增加有机物质和生物大分子的固定量，这些分子的碳基环结构可与石墨烯的六元环单位形成π堆积键。(3)通过控制石墨烯在金属镀层上的层数，可以调控SPR信号和SPR测量的灵敏度。
技术实现思路
本专利技术针对技术背景中的问题，提出了一种结合石墨烯和光纤光栅表面等离子体共振传感的技术，设计了一种基于石墨烯SPR长周期光纤光栅传感器，该制作方法能确保光纤光栅SPR传感器的测量精度、灵敏度和稳定性。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于石墨烯SPR长周期光纤光栅传感器，包括输入光纤，长周期光纤光栅探头和输出光纤；输入光纤与长周期光栅探头的一端连接，长周期光栅探头的另一端与输出光纤连接；该长周期光纤光栅探头的栅区侧面镀有石墨烯层，石墨烯厚度为3-30nm。光经输入光纤进入长周期光纤光栅探头中，激发栅区侧面的石墨烯层产生表面等离子体共振现象。接上述技术方案，输入光纤和输出光纤为单模传导光纤。接上述技术方案，所述石墨烯层采用化学气相沉积法制备。接上述技术方案，所述长周期光纤光栅探头包括多组不同周期的光栅，不同周期光栅的栅区侧面镀有不同厚度的石墨烯薄膜。接上述技术方案，长周期光纤光栅探头的光栅周期为100-550μm。接上述技术方案，所述长周期光纤光栅探头的制作方法为：取光栅周期为100-550μm的长周期光纤光栅，将长周期光纤光栅置于无水乙醇中用超声波清洗3-8分钟3次，然后用脱脂棉蘸无水乙醇将长周期光栅的包层表面擦拭干净并晾干，将尾纤两端切割形成平整光滑的端面；以甲烷为碳源，保护气体为Ar与H2，采用CVD法制备的大面积多层石墨烯，气体分解温度为900-1000度，沉积时间不少于2小时；利用PMMA作为中间物转移石墨烯，在长好的石墨烯旋涂PMMA(4％)，然后放在150℃加热10min，用氯化铁盐酸溶液溶解Cu箔，将PMMA/graphene在去离子水中浸泡两次，各半个小时，用清洗过得长周期光栅将PMMA/graphene平捞到其表面上，溶解掉PMMA，取出吹干，完成转移；在长周期光纤光栅的栅区侧面涂覆石墨烯薄膜，石墨烯厚度为3-30nm。本专利技术还提供一种用于测量样品浓度的传感系统，包括光源、长周期光纤光栅传感器、信号接收与处理单元，所述长周期光纤光栅传感器为权利要求1所述的传感器，输出光纤与信号接收与处理单元连接，该长周期光纤光栅传感器置于待测样品中；从光源发出的光经由输入光纤进入长周期光纤光栅探头中，激发石墨烯层产生表面等离子体共振现象，信号通过输出光纤传导进入信号接收与处理单元，信号接收与处理单元采集透射光信息，并计算出待测样品的折射率，进而计算出样品浓度。接上述技术方案，所述信号接收及处理单元包括依次连接的光谱仪、计算机。本专利技术产生的有益效果是：本专利技术通过在光纤光栅的栅区侧面镀石墨烯层，激发栅区侧面的石墨烯层产生表面等离子体共振现象。表面等离子体共振波长信号的波长会随着样品离子浓度变化而发生偏移，通过共振峰峰位即可确定待测样品的折射率，进而得知样品的其他参数。本专利技术的光纤传感器具有测量精度高、灵敏度高、稳定性好，以及无损检测等特点；且传感器制作方法简单，易于实现，便于推广应用。附图说明下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明，附图中：图1是本专利技术实例基于石墨烯SPR长周期光纤光栅传感系统的结构示意图；图2是光栅探头的俯视图；图3是光栅探头的剖面图；图4是实施例4的不同周期光栅探头的剖面图；其中：1、宽带光源；2、输入光纤；3、光纤光栅探头；4、输出光纤；5、光谱仪；6、计算机；7、涂覆层；8、石墨烯层；9、栅区；10包层；11、栅区1；12、石墨烯层1；13、栅区2；14石墨烯层2。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本专利技术的基于石墨烯SPR长周期光纤光栅传感器，如图1-4所示，包括输入光纤2，长周期光纤光栅探头3和输出光纤4；输入光纤2与长周期光栅探头3的一端连接，长周期光栅探头3的另一端与输出光纤2连接；该长周期光纤光栅有涂覆层7，探头的栅区侧面镀有石墨烯层8，石墨烯厚度为3-30nm。光经输入光纤2进入长周期光纤光栅探头3中，激发栅区9侧面的石墨烯层产生表面等离子体共振现象。本专利技术实施例用于测量样品浓度的传感系统，如图1所示，包括光源1、长周期光纤光栅传感器、信号接收与处理单元，所述长周期光纤光栅传感器为上述实施例的传感器，输出光纤与信号接收与处理单元连接，该长周期光纤光栅传感器置于待测样品中。从光源发出的光经由输入光纤进入长周期光纤光栅探头中，激发石墨烯层产生表面等离子体本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于石墨烯SPR长周期光纤光栅传感器，其特征在于，包括输入光纤，长周期光纤光栅探头和输出光纤；输入光纤与长周期光栅探头的一端连接，长周期光栅探头的另一端与输出光纤连接该长周期光纤光栅探头的栅区侧面镀有石墨烯层，烯厚度为3‑30nm；光经输入光纤进入长周期光纤光栅探头中，激发栅区侧面的石墨烯层产生表面等离子体共振现象。

【技术特征摘要】
1.一种基于石墨烯SPR长周期光纤光栅传感器，其特征在于，包括输入光纤，长周期光纤光栅探头和输出光纤；输入光纤与长周期光栅探头的一端连接，长周期光栅探头的另一端与输出光纤连接该长周期光纤光栅探头的栅区侧面镀有石墨烯层，烯厚度为3-30nm；光经输入光纤进入长周期光纤光栅探头中，激发栅区侧面的石墨烯层产生表面等离子体共振现象。2.根据权利要求1所述的基于石墨烯SPR长周期光纤光栅传感器，其特征在于，输入光纤和输出光纤为单模传导光纤。3.根据权利要求1所述的基于石墨烯SPR长周期光纤光栅传感器，其特征在于，所述石墨烯层采用化学气相沉积法制备。4.根据权利要求1所述的基于石墨烯SPR长周期光纤光栅传感器，其特征在于，所述长周期光纤光栅探头包括多组不同周期的光栅，不同周期光栅的栅区侧面镀有不同厚度的石墨烯薄膜。5.根据权利要求1所述的基于石墨烯SPR长周期光纤光栅传感器，其特征在于，长周期光纤光栅探头的光栅周期为100-550μm。6.根据权利要求1所述的基于石墨烯SPR长周期光纤光栅传感器，其特征在于，所述长周期光纤光栅探头的制作方法为：取光栅周期为100-550μm的长周期光纤光栅，将长周期光纤光栅置于无水乙醇中用超声波清洗3-8分钟3次，然后用脱脂棉蘸无水乙醇将长周...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁莉芸，徐冰，肖武，何建宇，黄俊，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42