一种光纤法珀声波探头装置及其制作方法与流程

本发明涉及光纤技术、光学工程和材料工程技术领域，具体涉及一种光纤法珀声波探头装置及其制作方法,基于金属掺杂石墨烯膜。

背景技术：

光纤法珀腔作为一种十分重要的光学结构，由于其体积小，成本低，易于集成，可远距离传输信号的诸多优点被广泛应用于精密仪器、工业生产、通信、传感等领域。

传统的光纤法珀声波探头一般是由毛细玻璃管、单模光纤和振动膜片组成，毛细玻璃管一端镀上振动膜片，另一端插入光纤，光纤端面和振动膜片组成法珀腔的两个反射面，空气作为腔体介质。对于这种结构的光纤声波探头，影响探测灵敏度的两个关键因素就是振动膜片的反射率和厚度。目前，对于振动膜片的选择通常有有机膜和金属膜等。但是这些类型的振动膜片厚度都很难做的很薄，而且制作过程复杂，工艺要求高。这在很大程度上限制了声波探头的灵敏度提高和批量生产。石墨烯作为目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，已经被广泛地应用于各个领域。对于石墨烯的压力传感器，靳伟等人于2012年制作了本征型石墨烯膜光纤法珀干涉传感器(参见：Jun Ma，Wei Jin,Hoi Lut Ho，etal.High-sensitivity fiber-tip pressure sensor withgraphene diaphragm[J].Optics letters,2012,13(37):2493-2495.)，以及于2014年制作了非本征型石墨烯膜光纤法珀干涉传感器(参见：Jun Ma,Wei Jin,HaifengXuan，etal.Fiber-optic ferrule-top nanomechanical resonator with multilayer graphene film[J].Optics letters,2014,16(39):4769-4772.)，他们都是用的单模光纤端面和石墨烯膜作为反射面，出射光在单模光纤的端面有很大的出射发散角，使得石墨烯膜反射回来的光只有一小部分能够返回单模光纤中去，导致汇合的两个反射光束强度不相等而使得干涉条纹对比度不高，为了提高干涉条纹的对比度，采用多层石墨烯薄膜以提高石墨烯膜的反射率，但是随着石墨烯膜厚度的增加，必然导致对外界压力或声波信号探测灵敏度的降低。申请专利号为201310564209.6、申请公开号为CN103557929A的中国发明专利“一种基于石墨烯膜的光纤法珀声压传感器制作方法及其测量方法、装置”公开了一种基于石墨烯膜的光纤法珀声压传感器，其中的结构也存在同样的问题。

技术实现要素：

针对上述存在问题或不足，为解决：如何提高对石墨烯薄膜反射光的接收率以及提高石墨烯薄膜的反射率，使得干涉条纹对比度增加，从而减少石墨烯薄膜的厚度来提高探测灵敏度。本发明提供了一种光纤法珀声波探头装置及其制作方法。

一种光纤法珀声波探头装置，包括石英玻璃套管、单模光纤、渐变多模光纤和石墨烯薄膜。

所述单模光纤与渐变多模光纤熔接成一个整体插入到石英玻璃套管管道中，石英玻璃套管管道大小与光纤直径大小相适应；石英玻璃套管的一端覆盖一层石墨烯薄膜，另一端插入光纤，且插入至管道中的光纤端面与石墨烯薄膜形成干涉法珀腔；该光纤端面是渐变多模光纤，渐变多模光纤长度1200-1300微米。石墨烯薄膜的厚度为1-10纳米。

所述石墨烯薄膜为单层金属掺杂石墨烯薄膜。

所述单模光纤纤芯直径9微米，包层直径125微米；渐变多模光纤纤芯直径62.5微米，包层直径125微米，渐变多模光纤的自聚焦周期为500微米。

其制作方法，包括以下步骤：

步骤1、将单模光纤一端熔接一段渐变多模光纤；单模光纤纤芯直径9微米，包层直径125微米，渐变多模光纤纤芯直径62.5微米，包层直径125微米，自聚焦周期为500微米；

步骤2、将步骤1得到的光钎，在渐变多模光纤长度1200-1300微米处切平，制作一个反射面，然后以光纤反射面从石英玻璃套管一端插入其中；

步骤3、将步骤2得到的石英玻璃套管另一端覆盖上一层石墨烯薄膜，使光纤端面与石墨烯薄膜形成干涉法珀腔。

本发明中，渐变多模光纤和金属掺杂的石墨烯薄膜起到了最重要的作用，渐变多模光纤实现对出射光束的平行出射与反射，提高对石墨烯薄膜反射光的接收率；金属掺杂的石墨烯薄膜提高了对光的反射率。

本发明的石墨烯薄膜通过金属掺杂实现了对光信号具有更高的反射率，反射率提高了一倍以上，该装置中的光纤端面使用渐变多模光纤端面，利用渐变多模光纤的自聚焦效应实现对光的平行出射与反射，提高了对石墨烯薄膜反射光的接收率，接收率提高了两倍以上。该装置通过这两点的改进，实现了对石墨烯薄膜反射光信号的增强，与没有改进的传统装置相比，该装置的法珀干涉条纹对比度提高了10dB以上，解决了现有技术中为提高石墨烯薄膜的反射率而增加膜厚度造成的探头灵敏度较低的问题，实现了对声波信号的更高灵敏度探测。

综上所述，本发明具有制作简单、体积小、高灵敏、抗电磁干扰等优点，可应用于安全布防监控、水听、医学及生物医学工程等领域。

附图说明

图1为本发明探头的结构示意图；

图2为本发明的光纤端面制作结构示意图；

图3为本发明的结构图；

图4为传统结构图；

图5为本发明结构的制作工艺流程；

图6为本发明的金属银掺杂石墨烯与传统不掺杂石墨烯对比示意图；

图7为本发明双光束干涉条纹实验结果与传统结构实验结果对比示意图；

图8为基于本发明声波探测器的信号解调系统图；

图9为本发明探头声波探测实验结果示意图；

附图标记：1-单模光纤，2-渐变多模光纤，3-光纤熔接机，4-光纤切割刀，5-金属银掺杂石墨烯薄膜，6-不掺杂石墨烯膜，7-石英玻璃套管，8-紫外胶，9-金属粒子，10-光源，11-环形器，12-波分复用器，13-耦合器，14-光电探测器，15-数据采集卡，16-计算机，17-声波探头。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步描述：

图1是我们声波探头的装置图，单模光纤与一段渐变多模光纤熔接，渐变多模光纤端面与石墨烯薄膜形成两个光反射面，形成法珀干涉腔，石英玻璃套管起到固定和准直光纤的作用。其中，单模光纤纤芯直径9微米，包层直径125微米。渐变多模光纤纤芯直径62.5微米，包层直径125微米，渐变多模光纤的自聚焦周期为500微米，渐变多模光纤长度1250微米。图2是该装置光纤端面的制作方法图，先用光纤切割刀4把一段单模光纤1和一段渐变多模光纤2端面切平，用熔接机3把两段光纤熔接起来，在渐变多模光纤另一端用切割刀4切平，保留渐变多模光纤的长度为1250微米，使得渐变多模光纤的端面正好位于一个周期的中间，如图2所示。

图3是本发明的结构图，它与图4传统结构图相对比，我们可以看到，传统的结构中，出射光在出射单模光纤端面时，会有很大的发散角，从而使得光纤端面对石墨烯薄膜反射回来的光信号接收率很低，导致干涉条纹对比度很小，不利于探测灵敏度的提高。在本发明的结构中，光出射渐变多模光纤时，以平行光出射，没有发散角，从而使得光纤端面对石墨烯薄膜反射光有很高的接收率，增加了干涉条纹的对比度。与传统的石墨烯薄膜、单模光纤端面组成的法珀干涉腔相比，该装置中的石墨烯薄膜通过金属银掺杂实现了对光信号具有更高的反射率，反射率提高了一倍以上，该装置中的光纤端面使用渐变多模光纤端面，利用渐变多模光纤的自聚焦效应实现对光的平行出射与反射，提高对石墨烯薄膜反射光的接受率，与传统的单模光纤相比，接受效率提高了两倍以上。该装置通过这两点的改进，实现了对石墨烯薄膜反射光信号的增强，与没有改进的传统装置相比，该装置的法珀干涉条纹对比度提高了10dB以上，解决了现有技术中为提高石墨烯薄膜的反射率而增加膜厚度造成的探头灵敏度较低的问题，实现了对声波信号的更高灵敏度探测。

图5为本发明结构的制作工艺流程。将单模光纤1和渐变多模光纤2切平熔接，在渐变多模光纤2另一端切平插入干净的石英玻璃套管7中，在光纤插入的一端，用紫外胶8使单模光纤1和石英玻璃套管7密封固定，然后在石英玻璃套管7的另一端面覆盖上金属银掺杂的石墨烯薄膜5。

图6为本发明的金属银掺杂石墨烯与传统不掺杂石墨烯对比示意图。通过高温还原氧化石墨烯银氨混合溶液，使金属银粒子均匀地分布在石墨烯薄膜表面。金属银掺杂后的石墨烯薄膜对光具有更高的反射率。相比于没有改进的传统装置相比，该装置的法珀干涉条纹对比度提高了10dB以上，如图7所示。

图8给出了用于这种结构探头信号解调的三波长信号解调系统。该系统由光源10、环形器11、波分复用器12、耦合器13、光电探测器14、数据采集卡15、计算机16、声波探头17等组成。光源10输出光信号，经过探头17反射回环形器11进入波分复用器12，再经过耦合器13由三个FBG反射回三个特定的波长，这三个波长的相位互成120度。经光电探测器14接收信号送入数据采集卡15中进行相敏检波，用仿真软件Labview进行相位变化分析，即可得到光纤探头17对声波的探测信息。如图9所示是探头对不同声波频率的测量结果。