一种覆盖石墨烯薄膜的环形光纤气体传感器的制造方法
【专利摘要】该发明一种覆盖石墨烯薄膜的环形光纤气体传感器涉及气体传感器领域，特别是涉及一种微纳环形光纤传感器领域。该发明通过将一根微纳光纤(输入光纤)的尾段打结形成微环结构，并设置于基片上，其尾端与另一相同规格并设置在同一基片上的微纳光纤(输出光纤)耦合连接，用石墨烯薄膜覆盖输入光纤微环结构的远端，实现发明目的，从而具有体积小、制作简单、成本低廉、灵敏度高、响应速度快、易于调整、稳定性好、便于集成的效果。
【专利说明】一种覆盖石墨烯薄膜的环形光纤气体传感器
【技术领域】
[0001]本发明涉及气体传感器领域，特别是涉及一种微纳环形光纤传感器领域。
【背景技术】
[0002]气体浓度的快速准确检测是安全生产、环保监控、医疗监护、工业制造过程必不可少的关键技术，在石油化工、煤炭、电力、冶金、医疗、农业等行业以及环境工程和生物工程等方面都有着广泛的用途，它对于保证生产安全、提高产品质量、防止环境污染、降低能源消耗等都十分重要。
[0003]干涉法是已知最灵敏的探测技术之一，因此各种光学干涉测量方法可以用在光纤传感器中。这种采用干涉测量方法的干涉型光纤传感器能达到极高的灵敏度。目前干涉型光纤传感器分为两大类型，非谐振型平面波导传感器，如表面等离子体共振、法布里-伯罗腔，和另一类基于微环、微盘、微球结构的谐振型传感器。平面波导传感器的探测原理大多是基于相位的变化而得，对非谐振型波导传感器而言，为使相位变化能累积到可被有效探测的程度，所需的探测区域长度通常较长，因此，它们需要较大的器件尺寸和较多量的待测物。而基于微环、微盘、微球结构的谐振型传感器，由于谐振效应的引入，虽然该类传感器的实际尺寸很小，但光信号能够在腔内不断谐振、放大，因此等效之后的探测长度足以引起相位、强度等信息变化到可探测的量值，对待测物的量也需求较少。另外，谐振效应引入的高品质因数能够有效提高器件的探测能力。微球由于具有很好的表面平整度，具有非常高的品质因数，因此它们的灵敏度很好，但目前的缺点是制作时均需要用激光加热波导材料到熔融状态以增加表面平整度，故加工时随机性较大、重复性不好，并且与其它器件耦合集成不方便。微盘传感器的制作相对简单，重复性好，但同微球一样，光波在其中传输时的模式均为回音壁模式而非单模传播，因而用于传感时不同模式间的串扰比较大。与之相比，微环结构可以通过控制环的宽度使得器件完全工作于单模状态，消除串扰，减少噪声，而且制作工艺简单。
[0004]文献《HybridGraphene-Microfiber Waveguide for Chemical Gas Sensing (石墨烯微光纤的贴附型混合波导化学气体传感器)))V0L.20，N0.1, JANUARY/FEBRUARY2014, Yuffu, Ba1-Cheng Yao, Yang Cheng, Yun-Jiang Rao,公开了一种石墨烯微光纤的贴附型混合波导气体传感器，其结构包括:基板、石墨烯层、输入光纤、输出光纤，其中基板上设置一石墨烯层，石墨烯层上设置输入光纤和输出光纤，输入光纤和输出光纤I禹合连接。该装置存在如下缺陷:1.光纤位于石墨烯层上，接触面积小，石墨烯吸附气体分子后对光纤中传播的光线影响率有限；2.该方法用石墨烯吸附气体分子后改变光纤中光线强度，通过解调该装置输出的光线强度来判断气体类型，其灵敏度低、响应时间长、动态范围小；3.该帖附型传感结构石墨烯层面积过大，易受周围环境影响，可靠性较低。
【发明内容】
[0005]针对【背景技术】的不足之处，本发明解决的技术问题是:提供一种体积小、制作简单、成本低廉、灵敏度高、响应速度快、易于调整、稳定性好、便于集成的光纤气体传感器。
[0006]本发明的技术方案是将一根微纳光纤(输入光纤)的尾段打结形成微环结构，并设置于基片上，其尾端与另一相同规格并设置在同一基片上的微纳光纤(输出光纤)耦合连接，用石墨烯薄膜覆盖输入光纤微环结构的远端，当气体吸附于石墨烯上时，会改变石墨烯的有效折射率，使微环对在其内传输的光纤产生大强度的衰减、更深的谐振深度和本征相位突变，从而改变光线在光纤中传播的谐振深度、频谱漂移，通过光谱仪检测光线谐振深度和频谱漂移的变化，判断气体类型，从而实现发明目的。因此本发明一种覆盖石墨烯薄膜的环形光纤气体传感器包括:基片、输入光纤、输出光纤、石墨烯层，其特征在于:输入光纤尾段打结形成微环结构并设置于基片上，其微环结构远端覆盖一层石墨烯薄膜，输入光纤的尾端与设置在同一基片上的输出光纤耦合连接。
[0007]所述输入光纤头段直径为125um,尾段直径为2?3um,输入光纤的微环结构直径为500?600um，输出光纤头段直径为2?3um，尾段直径为125um ；
[0008]所述输入光纤和输出光纤耦合区域长度为4?5cm ;
[0009]所述石墨烯薄膜厚度为0.38nm,其覆盖的光纤长度为800?lOOOum。
[0010]本发明通过将输入光纤的尾段打结形成微环结构，并将其设置于基片上，其尾端与另一相同规格并设置在同一基片上的输出光纤耦合连接，用石墨烯薄膜覆盖光纤微环结构的远端，从而具有体积小、制作简单、成本低廉、灵敏度高、响应速度快、易于调整、稳定性好、便于集成的效果。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是本发明一种覆盖石墨烯薄膜的环形光纤气体传感器结构示意图；
[0012]图2是应用本发明的实验系统图；
[0013]图3是本发明气体作用前后检测结果图。
[0014]图中:1.基片,2.输出光纤,3.石墨烯薄膜,4输入光纤,6.气体传感器,5.宽带光源，7.光谱仪。
【具体实施方式】
[0015]下面将结合附图对本发明作进一步的描述。
[0016]本发明基片长30mm,宽IOmm,材料为氟化镁；输入光纤为通过直径为125um的普通光纤拉制成直径为2?3um的微光纤，然后在其尾段打结成微环结构，该微环结构直径为500?600um ;输入光纤的微环结构远端覆盖一层厚度为0.38nm的石墨烯薄膜,覆盖的光纤长度为800?IOOOum ;输出光纤同样由直径为125um的普通光纤拉制成直径为2?3um的微光纤，其微光纤段与输入光纤尾端通过范德瓦尔兹力耦合连接，耦合长度为4?5cm ;通过紫外胶将光纤直径为12um的部分固定在氟化镁基片上完成该气体传感器的制作。
[0017]在实际气体传感中，宽带光源将光信号从输入光纤头端进入微纳光纤中传播，以倏逝波的形式沿着微纳光纤表面进入环状机构，当光信号经过包裹石墨烯的区域时，通过微环的引导，在石墨烯表面循环传输，最终在环的耦合点处相互干涉，产生谐振谱。而当倏逝波在石墨烯表面传输时，气体浓度的变化可以有规律的改变石墨烯的有效折射率，从而改变微环-石墨烯表面传输的倏逝波信号的强度和相位，进而改变微环的谐振强度和频谱漂移。经过耦合传输的谐振光谱，然后由输入光纤尾端耦合的输出纤接收，最终传输光谱仪，检测不同气体浓度下的谐振谱。因此通过在接收端分析谐振谱的变化，能够实现气体分子浓度和谐振谱之间的映射，进而可以计算得到化学气体的浓度，从而实现气体传感器的功能。图3为本发明气体作用前后检测结果图。
[0018]上述具体实施方法用来解释说明本发明装置，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利说明书的保护范围内，对本发明的任何改变与变动，都落入本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种覆盖石墨烯薄膜的环形光纤气体传感器,包括:基片、输入光纤、输出光纤、石墨烯层，其特征在于:输入光纤尾段打结形成微环结构并设置于基片上，其微环结构远端覆盖一层石墨烯薄膜，输入光纤的尾端与设置在同一基片上的输出光纤耦合连接。
2.如权利要求1所述的一种覆盖石墨烯薄膜的环形光纤气体传感器，其特征在于输入光纤头段直径为125um,尾段直径为2?3um,输入光纤的微环结构直径为500?600um,输出光纤头段直径为2?3um,尾段直径为125um。
3.如权利要求1所述的一种覆盖石墨烯薄膜的环形光纤气体传感器，其特征在于所述输入光纤和输出光纤稱合区域长度为4?5cm。
4.如权利要求1所述的一种覆盖石墨烯薄膜的环形光纤气体传感器，其特征在于所述石墨烯薄膜厚度为0.38nm，其覆盖的光纤长度为800?lOOOum。
【文档编号】G01N21/45GK103926220SQ201410181901
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年4月30日 优先权日:2014年4月30日
【发明者】姚佰承, 吴宇, 饶云江 申请人:电子科技大学