一种具有光热应力调控的石墨烯膜光纤F-P谐振器及其制作方法技术

本发明专利技术公开了一种具有光热应力调控的石墨烯膜光纤F‑P谐振器及其制作方法。谐振器以石墨烯膜为谐振敏感元件，激光激励端和检测端采用石英毛细管和陶瓷插芯相结合的结构。方法包括：1)利用光纤熔接机将单模光纤和石英毛细管相熔接，通过光纤超声切割刀将石英毛细管切至特定长度，形成法布里‑珀罗干涉腔的初始腔长；2)将切割的单模光纤‑石英毛细管结构和陶瓷插芯相组装，并在插芯端面转移石墨烯膜；3)将由多模光纤和陶瓷插芯相组装的调控端结构通过一个陶瓷套管实现与激励端的固定和对准；4)通过调节多模光纤端面与石墨烯膜相间距离，利用环氧树脂胶实现陶瓷插芯尾部与光纤的粘合封装。本发明专利技术具有结构尺寸小、薄膜应力和谐振频率可调节等优点。

A graphene film fiber F-P resonator with photothermal stress control and its fabrication method

【技术实现步骤摘要】
一种具有光热应力调控的石墨烯膜光纤F-P谐振器及其制作方法
本专利技术涉及谐振器及光纤传感的
，尤其涉及一种具有光热应力调控的石墨烯膜光纤F-P谐振器及其制作方法。
技术介绍
自2004年以来，石墨烯因具有优良的热学、力学和电学性质而引起国内外学者的广泛关注和大量研究，并在微纳传感器领域具有重要的应用潜力。石墨烯是一种二维结构的晶体，其单层厚度仅约为0.335nm(参见：NovoselovKS,GeimAK,MorozovSV,etal.Electricfieldeffectinatomicallythincarbonfilms[J].Science,2004,306(5696):666-669.)。它也是目前发现已知强度最高的材料，断裂强度为130GPa，弹性模量高达1.0TPa(参见：LeeC,WeiX,KysarJW,etal.Measurementoftheelasticpropertiesandintrinsicstrengthofmonolayergraphene[J].Science,2008,321(5887):385-388.)。此外，石墨烯还具有良好的热学性质，单层石墨烯的热导率高达5300W/(m·K)(参见：BalandinAA,GhoshS,BaoW,etal.Superiorthermalconductivityofsingle-layergraphene[J].Nanoletters,2008,8(3):902-907.)，热膨胀系数为-7×10-6K-1(参见：BaoW,MiaoF,ChenZ,etal.Controlledrippletexturingofsuspendedgrapheneandultrathingraphitemembranes[J].NatureNanotechnology,2009,4(9):562-566.)。石墨烯的这些优良特性为其成为基于光热激励和光学检测的谐振器提供了可能。目前，石墨烯谐振器的研究主要涉及激振和拾振方式的实现、品质因数的提高以及谐振频率的调谐等部分。例如，2007年，美国康奈尔大学J.ScottBunch等人首次将石墨烯膜应用于谐振器上，利用机械剥离的方法将制得的单层和多层石墨烯膜转移至二氧化硅沟槽上，凹槽的两端有正负电极，石墨烯膜和二氧化硅凹槽整体形成了纳米机电系统，通过静电激励和光学干涉探测的方法实现了对石墨烯谐振频率和品质因数的测量(参见：JScottB,ZandeAMVD,VerbridgeSS,etal.Electromechanicalresonatorsfromgraphenesheets.[J].Science,2007,315(5811):490-493.)。2009年，ChangyaoChen等人制作了单层石墨烯谐振器，研究了环境温度对谐振频率和品质因数的影响。实验结果表明，相比于常温，谐振器在低温时可表现出良好的谐振性能(参见：ChenC,RosenblattS,BolotinKI,etal.Performanceofmonolayergraphenenanomechanicalresonatorswithelectricalreadout[J].NatureNanotechnology,2009,4(12):861-867.)。2011年，RobertA.Barton等人利用化学气相沉积法生长制备的石墨烯膜设计制作了不同直径的圆形机械谐振器，并利用高温的方式实现了对石墨烯膜表面PMMA的去除。实验结果表明，谐振器的谐振频率随着薄膜尺寸的降低而增大，品质因数随着薄膜尺寸的增加而显著提高，并证明了石墨烯谐振器能够实现超高的品质因数的特性(参见：BartonRA,IlicB,VandZAM,etal.High,size-dependentqualityfactorinanarrayofgraphenemechanicalresonators[J].NanoLetters,2011,11(3):1232-1236.)。2013年，ChangyaoChen等人制备了一种石墨烯纳米机械谐振器，通过静电调节的方式实现了对石墨烯膜张力的调节，进而改变谐振器的谐振频率以实现调谐(ChenC,LeeS,DeshpandeVV,etal.Graphenemechanicaloscillatorswithtunablefrequency[J].NatureNanotechnology,2013,8(12):923-927.)。2018年，DejanDavidovikj等人介绍了一种可以控制温度和谐振频率的石墨烯膜机械谐振器，实验中的片式加热器，可以调节悬浮式二维材料薄膜的平面内的张力，利用直流焦耳加热，实现了悬置石墨烯薄膜平面内张力的调谐，提高了谐振频率和品质因数，这也揭示了石墨烯膜谐振器调控的潜在价值(参见：DavidovikjD,PootM,Cartamil-BuenoSJ,etal.On-chipheatersfortensiontuningofgraphenenanodrums[J].NanoLetters,2018,18(5):2852-2858.)。同年，RobinJ.Dolleman等人实验演示了悬浮单层石墨烯薄膜的参数共振，通过增大激光驱动电压以调节预应力以记录谐振器的不同模态，并理论分析了石墨烯膜光热应力调控的原理(参见：DollemanRJ,HouriS,ChandrashekarA,etal.Opto-thermallyexcitedmultimodeparametricresonanceingraphenemembranes[J].ScientificReports,2018,8(1):9366-9373.)。总之，基于上述分析，国内外学者对于石墨烯膜谐振器应力调控方面的研究较少，且多数是通过改变激励端参数或环境因素以实现对石墨烯膜的调节，不仅会对薄膜产生较大的损伤，还会改变谐振器的初始状态，从而影响实验结果。为此，本专利技术以石墨烯膜为谐振器的谐振敏感元件，利用石墨烯良好的热学和力学特性，提出了一种利用光纤实现光热应力调控的石墨烯膜谐振器及其制作方法。该方法在传统的石墨烯膜F-P探头结构的基础上，增加了光热调控结构，能够在线实现石墨烯膜的热应力调控，可避免实际应用中激励端状态或环境因素改变对石墨烯谐振器的谐振性能的影响，具有结构尺寸小、设计新颖、薄膜应力和谐振频率可调节，改进品质因数与灵敏度等优点。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种结构尺寸小、设计新颖、薄膜应力可光热调控的石墨烯膜光纤F-P谐振器，并给出其制作方法。该谐振器由激励检测端和调控端两部分组成，可实现对谐振器中石墨烯膜的光热应力调控。为实现上述目的，本专利技术是通过以下技术方案来实现：本专利技术提供的一种利用光热应力调控的石墨烯膜光纤F-P谐振器的设计和制作方法，包括以下步骤：步骤1.去除单模光纤外层的涂覆层和石英毛细管外部的金属保护层，并清除附着于表面的杂质，然后利用光纤超声切割刀将光纤和石英毛细管端面切平，并对二者端本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有光热应力调控的石墨烯膜光纤F-P谐振器的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：/n步骤1.去除单模光纤外层的涂覆层和石英毛细管外部的金属保护层，并清除附着于表面的杂质，然后利用光纤超声切割刀将光纤和石英毛细管端面切平，并对二者端面进行研磨抛光处理，使端面倾斜角度控制在0.2°以内；/n步骤2.利用光纤熔接机将步骤1中所述的单模光纤和石英毛细管相熔接，进行拉力测试确保熔接点牢固；/n步骤3.利用光纤超声切割刀对步骤2中熔接后的单模光纤和石英毛细管进行切割，切割点位于近石英毛细管处，之后对毛细管端面进行研磨抛光处理，并利用超声清洗器清除石英毛细管表面和内部的杂质；/n步骤4.利用三维光纤微动平台将步骤3所述的切割后的单模光纤-石英毛细管结构插入陶瓷插芯内部，待石英毛细管和陶瓷插芯端面平齐，利用环氧树脂胶将两者的尾部粘接粘合；/n步骤5.将石墨烯膜转移至步骤4所述的探头结构的表面，利用加热温箱对转移至插芯基底的石墨烯膜进行干燥及处理，由此完成谐振器探头激励检测端的制作；/n步骤6.去除多模光纤外层的涂覆层，用超声光纤切割刀将其端面切平，转移至陶瓷插芯内部，由此完成谐振器探头光热调控端的制作；/n步骤7.利用陶瓷套管将步骤5和步骤6所述的探头的光热激励检测端和调控端固定对准，借助三维光纤微动平台调整多模光纤和石墨烯膜间的距离，并利用环氧树脂胶对多模光纤和陶瓷插芯尾部进行胶封，由此完成光纤光热应力可调控的石墨烯膜谐振器的制作。/n...

【技术特征摘要】
1.一种具有光热应力调控的石墨烯膜光纤F-P谐振器的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1.去除单模光纤外层的涂覆层和石英毛细管外部的金属保护层，并清除附着于表面的杂质，然后利用光纤超声切割刀将光纤和石英毛细管端面切平，并对二者端面进行研磨抛光处理，使端面倾斜角度控制在0.2°以内；
步骤2.利用光纤熔接机将步骤1中所述的单模光纤和石英毛细管相熔接，进行拉力测试确保熔接点牢固；
步骤3.利用光纤超声切割刀对步骤2中熔接后的单模光纤和石英毛细管进行切割，切割点位于近石英毛细管处，之后对毛细管端面进行研磨抛光处理，并利用超声清洗器清除石英毛细管表面和内部的杂质；
步骤4.利用三维光纤微动平台将步骤3所述的切割后的单模光纤-石英毛细管结构插入陶瓷插芯内部，待石英毛细管和陶瓷插芯端面平齐，利用环氧树脂胶将两者的尾部粘接粘合；
步骤5.将石墨烯膜转移至步骤4所述的探头结构的表面，利用加热温箱对转移至插芯基底的石墨烯膜进行干燥及处理，由此完成谐振器探头激励检测端的制作；
步骤6.去除多模光纤外层的涂覆层，用超声光纤切割刀将其端面切平，转移至陶瓷插芯内部，由此完成谐振器探头光热调控端的制作；
步骤7.利用陶瓷套管将步骤5和步骤6所述的探头的光热激励检测端和调控端固定对准，借助三维光纤微动平台调整多模光纤和石墨烯膜间的距离，并利用环氧树脂胶对多模光纤和陶瓷插芯尾部进行胶封，由此完成光纤光热应力可调控的石墨烯膜谐振器的制作。


2.根据权利要求1所述的具有光热应力调控的石墨烯膜光纤F-P谐振器的制作方法，其特征在于：所述的石墨烯膜谐振器包括激励检测和光热调控两部分，其功能分别为对谐振器的激振/拾振和对石墨烯膜的光热应力调控。


3.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：李成，李子昂，刘欢，樊尚春，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11