一种基于石墨烯薄膜的锥形光纤传感器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于石墨烯薄膜的锥形光纤传感器，所述光纤传感器包括接头、光纤段和加工段，加工段由内至外依次包括加工段纤芯、贵金属膜和石墨烯薄膜；加工段纤芯的顶端有顶端贵金属膜。该光纤传感器利用贵金属薄膜和石墨烯薄膜的表面等离子体共振的原理，并配合具有锥形形状的纤芯来增强传感信号，且通过对所述锥形形状的纤芯的锥形角度调整、贵金属薄膜和石墨烯薄膜的厚度控制，可实现对所述光纤传感器的光谱的调整。本发明公开的基于石墨烯薄膜的锥形光纤传感器结构简单、体积小、灵敏度高，能够在生物、化学、医学等领域对微量气体、液体、化学元素、DNA的在线检测和实时分析。
【专利说明】一种基于石墨烯薄膜的锥形光纤传感器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种增敏的锥形光纤传感器，具体涉及一种基于石墨烯薄膜的锥形光纤传感器，属于光纤传感【技术领域】。
【背景技术】
[0002]光纤传感技术是一种高灵敏、实时、可远距离分析的微量分析技术，具有体积小、成本低、抗电磁干扰、抗震及信息传输容量大等特点，在水质监测、医疗卫生、生物化学和军工等领域具有广阔应用潜力和发展前景。
[0003]表面等离子体共振(SPR)是金属表面自由电子同入射光光子互相耦合形成的局域电磁模式。当金属表面的自由电子在入射光场的激励下，与入射光的光子集体振荡，在金属表面产生了表面等离子体波。
[0004]通常的表面等离子体共振传感器采用棱镜作为光波导耦合器件激发表面等离子体共振波。金膜是表面等离子体共振传感器上最常用的金属膜。但是，棱镜体积大，结构复杂而庞大，操作不够灵活。为了提高表面等离子体共振传感器性能，光纤被运用来取代棱镜，激发表面等离子体共振波，构成光纤SPR传感器。透出纤芯的倏逝波能与其周围物质产生互相作用，周围物质吸收纤芯表面的倏逝波，光纤内部的能量随之衰减。通过分析光纤接收端光的变化，就可以对倏逝场区域的不同介质特征做出判断，推算周围物质的浓度。通常而言，光纤SPR传感器中的纤芯形状，未经处理时是圆柱形，逝场的穿透深度和穿透能量是有限的。这种光纤SPR传感器的检测灵敏度还有待进一步提闻。
【发明内容】
[0005]针对现有光纤SPR传感器结构复杂、体积庞大、灵敏度不足的问题，本发明提出了一种基于石墨烯薄膜的锥形光纤传感器。对光纤纤芯进行研磨处理为锥形，改变光纤纵向折射率分布，使倏逝场的穿透深度和穿透能量加大；再将锥形光纤与功能型石墨烯薄膜材料结合，利用石墨烯薄膜与倏逝波的互相作用来提高检测灵敏度，具有结构简单、体积小的特点，且具有高灵敏度，能够满足不同领域对光信号的在线分析、实时分析和活体分析等工作要求，实现了光纤传感器检测灵敏度的提高。
[0006]本发明所述的一种基于石墨烯薄膜的锥形光纤传感器是一种高灵敏的光纤传感器，包括接头、光纤段和加工段，光纤段和接头连接，光纤段为圆柱形，加工段为锥形，加工段由内至外依次包括加工段纤芯、贵金属膜和石墨烯薄膜；加工段纤芯的顶端有顶端贵金属膜。
[0007]所述贵金属膜和顶端贵金属膜的材料优选金。
[0008]加工段纤芯和光纤段的纤芯为一体式纤芯。
[0009]所述光纤段纤芯和加工段纤芯均优选自多模光纤。
[0010]所述加工段纤芯的锥底直径为400-600微米，加工段纤芯的锥体长度为5-50毫米，其锥形角度ο〈θ ( V。[0011]所述贵金属膜的厚度为10-20纳米；所述顶端贵金属膜的厚度为200纳米。
[0012]所述石墨烯薄膜的厚度为1-10个石墨烯原子层。
[0013]所述接头优选SMA系列连接器。
[0014]本发明将圆柱形光纤，如多模光纤的一端，选取5-50毫米长研磨成锥形，其余部分为原光纤；在锥形光纤纤芯锥面镀上10-20纳米厚的贵金属膜，在锥形光纤纤芯顶端镀上200纳米厚的贵金属膜，贵金属膜可以通过磁控溅射等方式制备；再在锥形光纤纤芯锥面的贵金属膜表面通过化学气相沉积法等方法沉积或生长ι-?ο个原子层厚度的石墨烯薄膜，形成一种光纤SPR传感结构。锥形光纤纤芯表面具有极强的倏逝波，倏逝波能与其周围物质产生互相作用。贵金属膜具有良好的SPR效应，而石墨烯薄膜具有非常好的强度和极好的透光性，在此结构中它作为贵金属膜的保护层和灵敏度增强层。
[0015]本发明的基于石墨烯薄膜的锥形光纤传感结构相比于普通的光纤SPR传感器具有更高的传感灵敏度与化学稳定性，能够实时监测，其结构紧凑，广泛应用物理、化学、生物、医疗、食品安全等领域。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是本发明的结构示意图。
[0017]图2是应用本发明的基于石墨烯薄膜的光纤传感器的实验系统图。
[0018]附图中的数字标记分别是: [0019]1:接头；2:光纤段；3:加工段；
[0020]31:加工段纤芯； 32:贵金属膜；33:石墨烯薄膜；
[0021]34:顶端贵金属膜；35:锥形角度Θ ； 41:宽带白光光源；
[0022]42:光纤光谱仪； 43:基于石墨烯薄膜的44:生物化学介质；
[0023]锥形光纤传感器；
[0024]45a:Y型光纤耦合器；45b:Y型光纤耦合器；45c:Y型光纤耦合器。
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】进行详细说明。
[0026]图1为本发明所述的基于石墨烯薄膜的锥形光纤传感器的结构示意图，该光纤传感器包括:接头1、光纤段2和加工段3，光纤段2和接头I连接，接头I选用SMA905连接器，光纤段2选用圆柱形的多模光纤，加工段3为锥形，加工段3由内至外依次包括加工段纤芯31、贵金属膜32和石墨烯薄膜33，贵金属膜可以是金膜；加工段纤芯31和光纤段2的纤芯为一体式纤芯；加工段纤芯31的顶端有顶端贵金属膜34，此处的贵金属膜可以选择金膜，也可以选择其他贵金属膜；加工段纤芯31的锥形角度35为Θ。
[0027]通过对锥形纤芯的锥形角度调整、贵金属薄膜和石墨烯薄膜的厚度控制，可实现对所述光纤传感器的光谱的调整。
[0028]上述基于石墨烯薄膜的锥形光纤传感器的制备方法如下:
[0029]首先制备锥形光纤。将纤芯直径范围为400-600微米的多模光纤的一端去除涂覆层和包层，去除长度为5-50毫米；使用光纤研磨机研磨暴露的纤芯，制得锥形角度35为:0〈θ ^7°的加工段纤芯31。未去除涂覆层和包层的部分即为光纤段纤芯。[0030]然后在加工段纤芯31的锥面和顶端面制备金膜32和金膜34。金膜32和金膜34可以通过磁控溅射或真空镀膜的方法来制作。所述金膜32是在有光源时，用来作为基底产生倏逝波的，其厚度大于等于10纳米，小于等于20纳米。顶端金膜34作为反射镜，其厚度需要比金膜32厚，其厚度是200纳米。
[0031]最后，在金膜32上层，采用CVD方法(化学气相沉积法)，生长1-10个原子层厚度的石墨烯薄膜层33，每层石墨烯厚度为0.3-0.4纳米。
[0032]所述光纤段2为普通的多模光纤，由内至外依次包括纤芯、光纤包层和光纤涂覆层。光纤段纤芯延伸到加工段即为加工段纤芯，如前所述，在加工段，纤芯外的涂覆层和包层被去除，由金膜和石墨烯薄膜代替。
[0033]接口 I为SMA905连接器。
[0034]图2是应用本发明的基于石墨烯薄膜的光纤传感器的实验系统图，41为宽带白光光源，42为光纤光谱仪，43为基于石墨烯薄膜的锥形光纤传感器，44为生物化学介质，上述各物体之间通过Y型光纤稱合器45a、45b和45c进行连接,光纤稱合器45b和基于石墨烯薄膜的锥形光纤传感器连接，制备而成的光纤传感器放置入待传感的生物化学环境44中。
[0035]在工作过程中，宽带白光光源41产生的白光通过Y型光纤耦合器45a和45b进入基于石墨烯薄膜的锥形光纤传感器43，白光激发基于石墨烯薄膜的锥形光纤传感器43上与溶液介质44接触的石墨烯薄膜，产生等离子体共振波，等离子体共振波由基于石墨烯薄膜的锥形光纤传感器43传回，经过Y型光纤耦合器45b和45c进入光纤光谱仪42，由所述光纤光谱仪42接收所述等离子体共振波并进行测量。
[0036]对所公开的实施方式的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。本发明将不会被限制于本文所示的这些实施方式，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
【权利要求】
1.一种基于石墨烯薄膜的锥形光纤传感器，具有接头(I)、光纤段(2)和加工段(3)，光纤段(2)和接头(I)连接，光纤段(2)为圆柱形，其特征在于:加工段(3)为锥形，由内至外依次包括加工段纤芯(31)、贵金属膜(32)和石墨烯薄膜(33);加工段纤芯(31)的顶端有顶端贵金属膜(34)。
2.如权利要求1所述的一种基于石墨烯薄膜的锥形光纤传感器，其特征在于:所述贵金属膜(32)和顶端贵金属膜(34)的材料为金。
3.如权利要求1所述的一种基于石墨烯薄膜的锥形光纤传感器，其特征在于:加工段纤芯(31)和光纤段(2)的纤芯为一体式纤芯。
4.如权利要求1所述的一种基于石墨烯薄膜的锥形光纤传感器，其特征在于:所述光纤段纤芯和加工段纤芯均优选多模光纤纤芯。
5.如权利要求1所述的一种基于石墨烯薄膜的锥形光纤传感器，其特征在于:所述加工段纤芯(31)的锥底直径为400-600微米，加工段纤芯(31)的长度为5_50毫米，其锥形角度 0〈 Θ ^ 7°。
6.如权利要求1所述的一种基于石墨烯薄膜的锥形光纤传感器，其特征在于:所述贵金属膜(32)的厚度为10-20纳米。
7.如权利要求1所述的一种基于石墨烯薄膜的锥形光纤传感器，其特征在于:所述顶端贵金属膜(34)的厚度为200纳米。
8.如权利要求1所述的一种基于石墨烯薄膜的锥形光纤传感器，其特征在于:所述石墨烯薄膜的厚度为ι-?ο个石墨烯原子层。
9.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯薄膜的锥形光纤传感器，其特征在于:所述接头(I)优选SM A系列连接器。
【文档编号】G01N21/41GK103868887SQ201410087958
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2014年3月11日 优先权日:2014年3月11日
【发明者】黄昱, 魏东山, 吴迪, 杜春雷, 崔洪亮, 常天英, 张洪 申请人:中国科学院重庆绿色智能技术研究院