被覆氧化还原石墨烯的悬挂芯光纤干涉型传感器制造技术

本发明专利技术提供的是一种被覆氧化还原石墨烯的悬挂芯光纤干涉型传感器。包括光源、两段单模光纤、一段悬挂芯光纤和探测器，所述悬挂芯光纤的包层有一个大尺寸空气孔、纤芯悬挂于所述大尺寸空气孔内壁，悬挂芯光纤的纤芯被氧化还原石墨烯薄膜包覆，两段单模光纤利用侧向错位偏移技术焊接在悬挂芯光纤的两端，通过调节错位焊接的位置使入射端单模光纤的能量耦合到悬挂芯光纤的纤芯中并激发不同阶的模式，在出射端单模光纤中则得到稳定的干涉。本发明专利技术的传感器制作简单，易于与单模光纤互联，器件集成度高，机械强度大，相比微纳光纤传感器，该传感通道不易被外界污染。该器件在温度监控与传感方面都将有广泛的应用。

【技术实现步骤摘要】
被覆氧化还原石墨烯的悬挂芯光纤干涉型传感器
本专利技术涉及的是一种光纤传感器，特别是一种主要用于温度、气体浓度、湿度等传感测量的光纤传感器。
技术介绍
光纤传感器结构简单、重量轻、尺寸小、轻巧柔软，用一根光纤可以测量结构上空间多点或者无限多自由度的参数，非常适于作为分布式传感元件埋入材料和结构内部或贴装在其表面实现多点监测；光纤传感器因其所具有的诸多优点而成为结构监测和光纤技术研究的热点问题。比如可以利用微纳光纤能传输多种模式以及拥有很强的倏逝场，利用模式间的干涉便可以对外界环境温度或者气体浓度等变化进行传感测量；也可以对单模或者其他特种光纤引入微孔结构，使纤芯模式与包层模式发生干涉，对外界环境的压强或者折射率等变化进行传感测量。而悬挂光纤传感器拥有较大的空气孔，纤芯裸露在空气中，容易对纤芯进行良好的化学修饰或者材料覆盖，从而能大大提高对温度、湿度等外界环境的灵敏度，相比于微纳光纤或者其他特殊结构光纤，其具有很好的机械强度，易于与其他器件耦合集成，且通道不易被污染，所以利用悬挂芯光纤作为传感元件的研究引起了人们的广泛关注。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种可以实现高灵敏温度或气体浓度、湿度等参量传感的被覆氧化还原石墨烯的悬挂芯光纤干涉型传感器。本专利技术的目的是这样实现的：包括光源、两段单模光纤、一段悬挂芯光纤和探测器，所述悬挂芯光纤的包层有一个大尺寸空气孔、纤芯悬挂于所述大尺寸空气孔内壁，悬挂芯光纤的纤芯被氧化还原石墨烯薄膜包覆，两段单模光纤利用侧向错位偏移技术焊接在悬挂芯光纤的两端，通过调节错位焊接的位置使入射端单模光纤的能量耦合到悬挂芯光纤的纤芯中并激发不同阶的模式，在出射端单模光纤中则得到稳定的干涉。本专利技术还可以包括：1、悬挂芯光纤的大尺寸空气孔的直径为50-80微米，纤芯为少模，纤芯直径8-10微米。2、悬挂芯光纤的包层在空气孔一侧加工有微槽将纤芯裸露于外界。3、纤芯的裸露部分进行表面化学修饰。4、悬挂芯光纤的包层在空气孔一侧有通过CO2激光器进行两次打孔构成的两个微孔，氧化还原石墨烯薄膜是使用微泵通过两个微孔注入氧化还原石墨烯悬浮液然后干燥在纤芯表面形成的氧化还原石墨烯薄膜。本专利技术是用一种悬挂芯光纤基于马赫-泽德(M-Z)干涉机理实现对物理量的测量。利用侧向错位偏移技术对悬挂芯光纤两端和单模光纤直接进行焊接，使得单模光纤的光耦合到悬挂芯中并激发不同阶的模式，从而在出射端单模纤中发生相应的模式干涉。然后在悬挂芯上铺上氧化还原石墨烯，由于其具有很好的光热效应，温度变化时会引起石墨烯的有效折射率也会随着发生相应的改变即可以放大传感器的温度敏感度。与现有技术相比，本专利技术的优点为：1、悬挂芯光纤空气孔的隔离使裸露的纤芯表面不受破坏，不易被污染，表面光滑，器件插损小。与微纳光纤相比，器件的机械强度被大大提高。2、氧化还原石墨烯的引入，其具有高的热光系数、饱和吸收特性等，传感器的灵敏度可被大大提高。3、利用悬挂芯光纤作为传感探头部分，由于悬挂芯光纤具有大尺寸空气孔，悬挂纤芯易于裸露出来，制作工艺简单，对裸露的悬挂芯进行表面化学修饰和物理改变都非常方便。该干涉型光纤传感器易于与单模光纤互联，且器件集成度高。附图说明图1是悬挂芯光纤的结构图；图2(a)-图2(b)是利用激光微加工技术将悬挂芯露出的悬挂芯光纤横截面图；图3是未注入氧化还原石墨烯时悬挂芯光纤干涉型温度传感器示意图；图4是注入氧化还原石墨烯后的悬挂芯光纤干涉型温度传感器示意图；图5是注入氧化还原石墨烯后的悬挂芯光纤干涉型湿度传感器示意图图6(a)-图6(b)是被覆氧化还原石墨烯后的样品温度测量数据。图6(a)是有无氧化还原石墨烯时传感器的灵敏度曲线，图6(b)是被覆氧化还原石墨烯悬挂芯光纤的干涉谱。具体实施方式本专利技术的被覆氧化还原石墨烯的悬挂芯光纤干涉型传感器是由光源、单模光纤5、一段具有大直径空气孔的悬挂芯光纤4、单模光纤5、探测器依次相连而成。悬挂芯光纤4的包层3有一个大尺寸空气孔2，纤芯1悬挂于空气孔内壁。悬挂芯光纤空气孔2的直径为50-80微米，悬挂纤芯1为少模，直径8-10微米。悬挂芯光纤4与两端单模光纤5利用侧向错位偏移技术直接进行焊接，通过调节错位焊接的位置使单模光纤的能量耦合到悬挂芯中并激发不同阶的模式，在出射端单模纤中则会得到稳定的干涉。所述的纤芯被氧化还原石墨烯薄膜6被覆，通过CO2激光器在悬挂芯光纤空气孔一侧进行两次打孔，构成微槽7，形成微流通道，使用微泵注入氧化还原石墨烯悬浮液然后干燥引入的。悬挂芯光纤的纤芯1可以利用化学腐蚀或激光微加工技术在空气孔一侧加工微槽8将纤芯1裸露于外界，外露的悬挂芯可以进一步进行表面化学修饰。或利用微加工技术在悬挂芯两个焊点附近制备空气孔形成微流通道。所述的传感器可用于温度、气体浓度、湿度等传感测量。一种被覆氧化还原石墨烯的悬挂芯光纤干涉型传感器，其工作原理是当光源从单模光纤5注入，在光源注入端利用侧向错位偏移技术将两个光纤直接进行焊接，并通过调节单模纤芯横向偏移量，因为悬挂芯周围被空气包围，纤芯内的高阶模可以被激发，在出射端利用相同的错位方法将悬挂芯光纤4和单模光纤5焊接，在出射端单模纤中则可得到不同模式之间的稳定干涉，构成M-Z干涉仪。由于石墨烯有很强的光热效应，当温度变化时其有效折射率也会发生改变，即悬挂芯表面周围的折射率发生改变，从而改变悬挂芯中高阶模式的有效折射率，但纤芯基模大部分能量束缚在芯中心其有效折射率几乎不受影响，相干模式间的光程差发生改变，使干涉峰发生漂移达到高灵敏温度传感的目的。类似的，气体湿度和浓度改变时，干涉峰也会发生漂移，达到传感的目的。下面举例对本专利技术做更详细的描述。实施例(1)：结合图1、图2(a)、图3、图4、图6，一种悬挂芯光纤干涉型温度传感器是由光源、单模光纤5、一段具有大直径空气孔的悬挂芯光纤4、单模光纤5、探测器依次相连而成。光纤包层4有一个大尺寸空气孔2，悬挂芯光纤4的纤芯1悬挂于空气孔内壁。氧化还原石墨烯6覆盖纤芯表面。悬挂芯光纤的空气孔2的直径为80微米，纤芯直径为9微米，芯包折射率差0.004。在光源一侧，悬挂芯光纤4与单模光纤5利用光纤焊接机手动调节模式，使单模光纤纤芯与悬挂芯光纤中心错位一定距离，从单模光纤中出来的基模会在悬挂芯光纤中激发出高阶模式，在出射端利用相同的方法将悬挂芯光纤4和单模光纤5进行焊接，在单模光纤中高阶模和芯模会发生干涉。利用光谱仪进行监测，调节纤芯的错位距离直到可以从出射端单模纤中能观察模式之间的稳定干涉，当干涉峰对比度最大时进行两光纤的焊接。这样就构成了M-Z干涉仪。利用高频CO2激光在空气孔一侧进行两次打孔(图2(a))，构成微槽7。为了达到对温度较高的灵敏度，使用微泵通过形成的微槽7把氧化还原石墨烯悬浮液注入到空气孔中，干燥后石墨烯覆盖在悬挂芯上，当外界温度发生变化时，氧化还原石墨烯6的快速响应时间以及极好的光热效应会使其有效折射率反生改变，使悬挂芯周围环境的折射率改变从而使其干涉峰发生漂移，从而实现温度传感。图6是当样品置于不同温度下时的实验测量数据。可以看出，由于氧化还原石墨烯的影响，其温度灵敏度被明显放大。实施例(2)：结合图1、图2(b)、图5，与实施例1不同的是，利用高频CO2激光在空气孔一侧进本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种被覆氧化还原石墨烯的悬挂芯光纤干涉型传感器，包括光源、两段单模光纤、一段悬挂芯光纤和探测器，其特征是：所述悬挂芯光纤的包层有一个大尺寸空气孔、纤芯悬挂于所述大尺寸空气孔内壁，悬挂芯光纤的纤芯被氧化还原石墨烯薄膜包覆，两段单模光纤利用侧向错位偏移技术焊接在悬挂芯光纤的两端，通过调节错位焊接的位置使入射端单模光纤的能量耦合到悬挂芯光纤的纤芯中并激发不同阶的模式，在出射端单模光纤中则得到稳定的干涉。

【技术特征摘要】
2018.05.07 CN 20181042530171.一种被覆氧化还原石墨烯的悬挂芯光纤干涉型传感器，包括光源、两段单模光纤、一段悬挂芯光纤和探测器，其特征是：所述悬挂芯光纤的包层有一个大尺寸空气孔、纤芯悬挂于所述大尺寸空气孔内壁，悬挂芯光纤的纤芯被氧化还原石墨烯薄膜包覆，两段单模光纤利用侧向错位偏移技术焊接在悬挂芯光纤的两端，通过调节错位焊接的位置使入射端单模光纤的能量耦合到悬挂芯光纤的纤芯中并激发不同阶的模式，在出射端单模光纤中则得到稳定的干涉。2.根据权利要求1所述的被覆氧化还原石墨烯的悬挂芯光纤干涉型传感器，其特征是：悬挂芯光纤的大尺寸空气孔的直径为50-80微米，纤芯为少模，纤芯直径8-10微米。3.根据权利要求1或2所述的被覆氧化还原石墨烯的悬挂芯光纤干涉型传感器，其特征是：悬挂芯光纤的包层在空气孔一侧加工有微槽将纤芯裸露于外界。4.根据权利要求3所述的被覆氧化还原石墨烯...

【专利技术属性】
技术研发人员：关春颖，初让，张星宇，史金辉，朱正，李平，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23