一种基于D形光纤石墨烯异质结的等离激元气体传感器制造技术

本发明专利技术属于传感领域，具体涉及一种基于D形光纤石墨烯异质结的等离激元气体传感器。本发明专利技术结合二维材料光电子学、微纳加工工艺以及信号检测与提取的技术,依靠在D形光纤抛磨面集成金‑石墨烯‑金异质结构，利用石墨烯等离激元的极高场局域性、折射率变化敏感，谐振范围覆盖宽泛等特性，从而实现具有高调控性、高敏感性特征的等离激元表面场与光导波场共存的超高灵敏度全光纤气体传感器。该传感器可实现全光激发和电子‑光子交叉调控，灵敏度可达单分子级别，且响应时间短，功能选择多样，在环境监测、气体探测等生化传感领域拥有极高的应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种基于D形光纤石墨烯异质结的等离激元气体传感器
本专利技术涉及二维材料光电子学和生化传感领域，涉及光学微量传感技术、柔性异质结组装和转移技术和D形光纤的微纳加工技术,具体为一种基于D形光纤石墨烯异质结的等离激元气体传感器。
技术介绍
光纤传感技术由于其传递信息量大、抗电磁干扰能力强、安全可靠、灵敏度高、可构成传感网络等优点，成为了近年来的研究热点和市场需求。由于外界条件，例如温度、湿度、磁场与电场等因素均可对光的特征参量(例如偏振态度、相位、频率等)产生影响，因此我们可以根据对信号的探测与提取，从而针对不同情况下环境因素制备不同的光学传感装置。与此同时，在结构建造、生化医疗、资源勘探、环境监控等各大领域中都发挥着不容小觑的作用。目前，光纤生化传感器件主要采用的光学结构主要为基于微纳光纤倏逝波耦合的结构、基于光纤微腔型结构或者是基于传统氧化硅或其他晶体的所制备的光纤传感器。但上述结构与技术都存在相应的弊端和短板，例如倏逝场的传感器信号微弱且衰减严重，外界分子的存在对波导的折射率影响有限；微腔的生化传感器对于腔和检测分子的要求严格，且响应速度慢；基于传统氧化硅或其他晶体在材料特性方面具有一定的局限性，且往往需要依赖染料指示剂，难以实现重复使用且稳定的可靠性。在克服结构的困难之外，对于分子级灵敏度和物质选择性的需求已经日益增长，同时也面临从原理探索到器件实现的诸多挑战。因此，在光纤传感中，如何通过引入新的传感机理、新的光学结构和新材料，进而实现表面光场增强，提升传感的灵敏度、选择性和效能，是光纤生化传感器发展的关键科学问题，也是拓展光学超灵敏传感应用的重要技术途径。石墨烯作为一种优异的二维材料，不光具有典型的高折射率、超宽带均一损耗和线性传输、强非线性和高效率电光可调等优秀特性，还可以作为光模场增强介质以及和有效传感外界分子的敏感介质。此外，还方便进行表面化学加工，实现对不同分子的区分性。与此同时，随着CVD技术的成熟，高质量的石墨烯的制备也成为了现实，同时还可以在不同基底上实现柔性转移，这也为石墨烯材料与基于光波导传感系统的结合提供了契机。近年来，基于石墨烯的等离激元激发和调控为传感应用带来了新的动力：由于石墨烯的等离激元拥有极高的场局域性，当光模场与外界分子发生作用，对模式的有效折射率产生影响而发生显著的改变，可以通过在接收端采用外差接收或者相干解调等技术，实现对分子级别微小信号的测量。这一传感过程的信息传递链为“分子-电子-光子”，关键参数为石墨烯等离激元的模式有效折射率。由于其对局部折射率变化极为敏感、能支持单分子测量，且其谐振范围能够覆盖从几个THz到几十THz的广泛波段，能有效响应从气体分子到细胞的各类待测物，应用需求广泛。综合来看，基于石墨烯等离激元的光纤生化传感器将有望实现既有生化选择性，又有单分子级灵敏度，还有在线测量能力和强可靠性的功能，优势十分突出。
技术实现思路
针对上述现有技术，并且为了克服传统的传统光纤气体传感器的灵敏度低、集成性不高、不易制备、易受干扰等缺陷，本专利技术提供了一种基于D形光纤石墨烯异质结的等离激元气体传感器。具体技术方案如下：一种基于D形光纤石墨烯异质结的等离激元气体传感器，包括D形光纤、宽带可调谐激光器、光纤放大器、高能脉冲激光器、电光调制器、2个偏振控制器、参考信号源、探针、稳压源、1×2型耦合器、2×2型耦合器、分光器、光电探测器、平衡探测器、锁相放大器和示波器。所述D形光纤的D形区域覆有金-石墨烯-金的异质结；稳压源通过两个探针接入到D形光纤的异质结的两个金极上为石墨烯两端提供0-20V的稳定接入电压，同时，经光电探测器输出的电信号与连接稳压源负极的探针相接以构成负反馈回路，旨在精准控制石墨烯两端的电压变化以精准选取石墨烯最为敏感的谐振点。高能脉冲激光器作为泵浦源依次连接偏振控制器1和电光调制器，再与1×2型耦合器相连后接入到D形光纤的一端；参考电信号源经分光器的输出端连通电光调制器的电信号端用于对电光调制器的调制；宽带可调谐激光器依次连接偏振控制器2和光纤放大器后通过2×2型耦合器的一个输出端接入D形光纤的另一端。平衡探测器的输入由两路信号构成，分别是1×2型耦合器的耦合端和2×2型耦合器另一输出端；锁相放大器的输入分别接平衡探测器的输出端和分光器的另一路输出端，其输出与示波器相接。进一步的，所述宽带可调谐激光器的波长范围在1480nm～1640nm，高能脉冲激光器采用1300nm、1380、1450nm、1530nm作为泵浦波长。进一步的，所述D形光纤为单模光纤，抛磨深度为120μm，抛磨区域为5mm×120μm的矩形区域，且该D形光纤插入损耗＜1dB。所述的石墨烯为利用MCDV技术进行沉积，面积为5mm×2mm，厚度为0.38nm，石墨烯异质结为金-石墨烯-金的对称分布异质结构，金极厚度为100nm。异质结结构通过柔性转移技术转移至D形光纤抛磨面。上述等离激元气体传感器的使用方法为：通过调节高能脉冲激光器和宽带可调谐激光器，对覆有金-石墨烯-金的异质结的D形光纤两端开始同时进行泵浦和信号源的双向扫描，宽带可调谐激光器的波长范围在1480nm～1640nm，高能脉冲激光器采用1300nm、1380、1450nm、1530nm作为多组泵浦波长。调整偏振控制器的角度，使泵浦光和信号源的偏振态都处于TM模式。通过调节稳压源控制探针接入到金极的电压从0-20V变化以选取石墨烯最为敏感的谐振点。当气体分子在所述的D形光纤上的石墨烯接触时，在示波器上获得相应的信号变化，对微米级到亚纳米级的气体分子实现检测。本专利技术中，通过将覆有金-石墨烯-金的异质结的D形光纤放置在需要进行传感的区域，高能脉冲激光器依次经偏振控制器1与电光调制器和1×2型耦合器的输入端相连后，由该耦合器的输出端接入到覆有金-石墨烯-金的异质结的D形光纤的一端。此时电光调制器由参考信号源经分光器的一端输出信号进行调制。与此同时，宽带可调谐激光器经偏振器2分别与光纤放大器和2×2型耦合器的输入端相连后，由该耦合器的其中一个输出端接入覆有金-石墨烯-金的异质结的D形光纤的另一端。稳压源的正负极经两探针分别与D形光纤异质结中的两个金极接触。此外，光电探测器与2×2型耦合器的另一输入端相连，其输出信号接入到与稳压源负极相连的探针上。其中光电探测器与覆有金-石墨烯-金的异质结的D形光纤形成负反馈回路，其作用为将部分输出信号反馈回输入端从而达到对石墨烯两端电压的精准调控。另外，平衡探测器的输入端由两路信号构成，其中一路为1×2型耦合器的耦合输出端，另一路为2×2型耦合器的另一输出端，旨在通过宽带可调谐激光器的信号变化间接反映石墨烯等离激元信号对于气体分子吸附释放过程的检测。平衡探测器的输出信号与参考信号源经分光器的另一端输出信号作为锁相放大器的两路输入，其目的为对微小信号的锁定放大。锁相放大器最后与示波器相连接，通过示波器上直接观察信号变化。综上所述，本专利技术结合二维材料光电子学、微纳加工工艺以及信号检测与提取的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于D形光纤石墨烯异质结的等离激元气体传感器，其特征在于：/n包括D形光纤、宽带可调谐激光器、光纤放大器、高能脉冲激光器、电光调制器、2个偏振控制器、参考信号源、探针、稳压源、1×2型耦合器、2×2型耦合器、分光器、光电探测器、平衡探测器、锁相放大器和示波器；/n所述D形光纤的D形区域覆有金-石墨烯-金的异质结；稳压源通过两个探针接入到D形光纤的异质结的两个金极上为石墨烯两端提供0-20V的稳定接入电压，同时，经光电探测器输出的电信号与连接稳压源负极的探针相接以构成负反馈回路，旨在精准控制石墨烯两端的电压变化以精准选取石墨烯最为敏感的谐振点。/n高能脉冲激光器作为泵浦源依次连接偏振控制器1和电光调制器，再与1×2型耦合器相连后接入到D形光纤的一端；参考电信号源经分光器的输出端连通电光调制器的电信号端用于对电光调制器的调制；宽带可调谐激光器依次连接偏振控制器2和光纤放大器后通过2×2型耦合器的一个输出端接入D形光纤的另一端。/n平衡探测器的输入由两路信号构成，分别是1×2型耦合器的耦合端和2×2型耦合器另一输出端；锁相放大器的输入分别接平衡探测器的输出端和分光器的另一路输出端，其输出与示波器相接。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于D形光纤石墨烯异质结的等离激元气体传感器，其特征在于：
包括D形光纤、宽带可调谐激光器、光纤放大器、高能脉冲激光器、电光调制器、2个偏振控制器、参考信号源、探针、稳压源、1×2型耦合器、2×2型耦合器、分光器、光电探测器、平衡探测器、锁相放大器和示波器；
所述D形光纤的D形区域覆有金-石墨烯-金的异质结；稳压源通过两个探针接入到D形光纤的异质结的两个金极上为石墨烯两端提供0-20V的稳定接入电压，同时，经光电探测器输出的电信号与连接稳压源负极的探针相接以构成负反馈回路，旨在精准控制石墨烯两端的电压变化以精准选取石墨烯最为敏感的谐振点。
高能脉冲激光器作为泵浦源依次连接偏振控制器1和电光调制器，再与1×2型耦合器相连后接入到D形光纤的一端；参考电信号源经分光器的输出端连通电光调制器的电信号端用于对电光调制器的调制；宽带可调谐激光器依次连接偏振控制器2和光纤放大器后通过2×2型耦合器的一个输出端接入D形光纤的另一端。
平衡探测器的输入由两路信号构成，分别是1×2型耦合器的耦合端和2×2型耦合器另一输出端；锁相放大器的输入分别接平衡探测器的输出端和分光器的另一路输出...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦琛烨，姚佰承，安宁，谭腾，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51