CN108458994A - 基于石墨烯复合膜的双d型光纤传感器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于石墨烯复合膜的双D型光纤传感器及其制作方法，包括纤芯、包层、金银复合膜和石墨烯层，纤芯的外表面包裹有包层，包层两侧面均设有D型凹槽，两个所述D型凹槽以纤芯为中心轴线相互对称，包层上的D型凹槽的内侧底壁为抛光面，抛光面上镀有一层金银复合膜，金银复合膜的表面敷设有石墨烯层；制作双D型光纤：去除单模光纤外表面的外保护层，清洗外保护层的碎屑，将单模光纤固定住，在单模光纤的包层两边的侧面均研磨出D型凹槽，保持研磨的包层的切面平滑；在两个D型凹槽内侧底壁的切面上溅射一层银薄膜，在银薄膜上溅射一层金薄膜；在金银复合膜上生长石墨烯；本发明具有成本低、体积小、使用寿命长、灵敏度高等优势。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感领域，具体涉及一种基于石墨烯复合膜的双D型光纤传感器及其制作方法。
背景技术
光纤是20世纪70年代发展起来的一种新兴的光电子技术材料，它与激光器、半导体光电探测器一起形成了光电子学。光纤具有体积小、抗腐蚀性强、抗电磁干扰强等很多其它结构无法比拟的优点，因此以光纤为基础的传感器受到了越来越多人的追捧，其中基于倏逝场的光纤传感器由于其独特的光学特性，微型化的特点以及制作成本的低廉，成为新型光纤器件的优良选择。表面等离子共振（SPR）技术由德国物理学者Otto在1968年提出，其原理为：利用入射光在介质和金属两种不同属性的分界面由于全反射产生的倏逝波，激发金属的表面的自由电子，自由电子与光子相互作用产生表面等离子激元（SPP），表面等离子激元沿着金属表面传播产生表面等离子波（SPW），当入射光的波矢和表面等离子波波矢匹配时，产生表面等离子共振（SPR），使得全反射光中对应波矢光强显著下降，从而能在透射光谱中出现共振吸收峰。当外界介质折射率发生变化时，共振吸收峰也会发生偏移。石墨烯作为新型的二维材料，具有非常好的电学特性和光学特性，在集成光学方面有着很好的应用前景。当石墨烯用于波导结构时，石墨烯可与波导模场相互作用从而改变传输光场的性质，实现对光场的调控。
1966年Yee首次提出一种新的电磁场数值计算方法—时域有限差分法（FDTD）。时域有限差分法是一种求解麦克斯韦微分方程的直接时域的方法，可以处理复杂形状物体的电磁散射、辐射等问题，已经在电磁研究的众多领域得到广泛应用。
目前，用于SPR结构的金属薄膜主要以金膜和银膜为主。在相同条件下，银膜用于SPR结构时，其SPR透射光谱的灵敏度高于金膜，共振深度大于金膜，半高全宽小于金膜。但是银膜的化学性质不如金膜稳定，银膜容易被氧化，使得以银膜为材料制作的SPR传感器使用寿命短。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足提供一种基于石墨烯复合膜的双D型光纤传感器及其制作方法，本基于石墨烯复合膜的双D型光纤传感器及其制作方法具有成本低、体积小、使用寿命长、灵敏度高等优势。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于石墨烯复合膜的双D型光纤传感器，包括纤芯、包层、金银复合膜和石墨烯层，所述纤芯的外表面包裹有一层包层，所述包层的两侧面均设有D型凹槽，两个所述D型凹槽以纤芯为中心轴线相互对称，所述包层上的D型凹槽的内侧底壁为抛光面，所述抛光面上镀有一层金银复合膜，所述金银复合膜的表面敷设有石墨烯层。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述金银复合膜包括金薄膜和银薄膜，所述抛光面上镀有一层银薄膜，所述银薄膜的表面上镀有一层金薄膜。
作为本发明进一步改进的技术方案，还包括光源、单模光纤、掺铒光纤放大器和光谱仪，所述光源通过单模光纤与所述纤芯的一端连接，所述纤芯的另一端通过单模光纤与掺铒光纤放大器连接，所述掺铒光纤放大器与光谱仪连接。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述光源为宽光谱光源。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述包层上的抛光面的长度为10mm，所述包层上的抛光面与纤芯之间的垂直距离为300nm～500nm。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述银薄膜的厚度为40nm～50nm，所述金薄膜的厚度为10nm～20nm。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述石墨烯层的层数为1层～10层。
为实现上述技术目的，本发明采取的另一个技术方案为：
一种基于石墨烯复合膜的双D型光纤传感器的制备方法，包括以下步骤:
（1）制作双D型光纤：取一根单模光纤，去除单模光纤外表面的外保护层，清洗并去除外保护层的碎屑，裸露出单模光纤的包层，将单模光纤固定住，在单模光纤的包层两边的侧面均研磨出D型凹槽，保持研磨的包层的切面平滑，研磨结束后，清洗包层的切面；
（2）制备金银复合膜：固定步骤（1）得到的双D型光纤，在两个D型凹槽内侧底壁的切面上溅射一层银薄膜，在银薄膜上溅射一层金薄膜；
（3）制备石墨烯层：采用化学气相沉积法在金银复合膜上生长石墨烯。
作为本发明进一步改进的技术方案，包括以下步骤:
（1）制作双D型光纤：取一根单模光纤，用光纤保护层剥离器去除单模光纤外表面的外保护层，用酒精清洗并去除外保护层的碎屑，裸露出单模光纤的包层，再用夹具将单模光纤固定住，采用研磨的方法，在单模光纤的包层两边的侧面均研磨出一段长度为10mm的D型凹槽，保持研磨的包层的切面平滑，且位于D型凹槽内侧底壁的切面与纤芯之间的垂直距离为300nm～500nm，研磨结束后，用酒精清洗包层的切面；
（2）制备金银复合膜：将步骤（1）得到的双D型光纤固定在玻璃基片上，采用磁控溅射法在两个D型凹槽内侧底壁的切面上溅射一层厚度为40nm～50nm的银薄膜，在银薄膜上溅射一层厚度为10nm～20nm的金薄膜；
（3）制备石墨烯层：采用化学气相沉积法在金银复合膜上生长1层～10层的石墨烯。
本发明的有益效果为：本发明采用金银复合膜代替传统的金膜或银膜，既保持了基于银膜SPR结构的高灵敏度的特点，又有了基于金膜SPR结构的稳定性，增加使用寿命。在金银复合膜上敷设石墨烯层，石墨烯与功函数大于5.4eV的金膜（金功函数为5.54eV）结合时，为了平衡费米能级，电子会从石墨烯转移到金膜表面，从而增强了共振电子的振荡，扩大了表面等离子激元的作用领域，进一步提高传感器的灵敏度。因此，一种基于石墨烯复合膜的双D型光纤传感器相比于原有技术，拥有使用寿命长、灵敏度高的优点，且本发明成本低、体积小。
附图说明
图1为本发明的结构模型图。
图2为本发明的纵向剖视图。
图3为本发明的工作系统示意图。
图4为本发明在覆金银复合膜后，双D型光纤在有无石墨烯条件下的透射谱比较图。
具体实施方式
下面根据图1至图4对本发明的具体实施方式作出进一步说明：
参见图1和图2，一种基于石墨烯复合膜的双D型光纤传感器，包括双D型光纤，所述双D型光纤包括纤芯1和包层2，所述纤芯1的外表面包裹有一层包层2，所述包层2的两侧面均设有D型凹槽，两个所述D型凹槽以纤芯1为中心轴线相互对称，所述包层2上的D型凹槽的内侧底壁为抛光面，所述抛光面上镀有一层金银复合膜6，所述金银复合膜6的表面敷设有石墨烯层5。所述金银复合膜6包括金薄膜4和银薄膜3，所述抛光面上镀有一层银薄膜3，所述银薄膜3的表面上镀有一层金薄膜4。
参见图3，所述的双D型光纤传感器还包括光源7、单模光纤8、掺铒光纤放大器10和光谱仪11，所述光源7通过单模光纤8与所述纤芯1的一端连接，所述纤芯1的另一端通过单模光纤8与掺铒光纤放大器10连接，所述掺铒光纤放大器10通过单模光纤8与光谱仪11连接。所述光源7为宽光谱光源。
参见图2，所述包层2上的抛光面的长度（即D型凹槽的长度）为10mm，所述包层2上的抛光面与纤芯1之间的垂直距离为300nm。所述银薄膜3的厚度为40nm，所述金薄膜4的厚度为10nm。所述石墨烯层5的层数为1层。
参见图3，本实施例中的光源7通过普通的单模光纤8将宽光谱传输到置于传感区域9中的双D型光纤中，双D型光纤的出射光场经过掺铒光纤放大器10将经放大的光信号传输到光谱仪11，从而得到具有共振谷的SPR透射光谱，经过折射率标定后便可以对待测传感区域9进行折射率检测。
上述的双D型光纤传感器的制备方法，包括以下步骤：
（1）制作双D型光纤：取一根单模光纤，用光纤保护层剥离器去除单模光纤外表面的外保护层，用酒精清洗并去除外保护层的碎屑，裸露出单模光纤的包层2，再用夹具将单模光纤固定住，采用研磨的方法，在单模光纤的包层2两边的侧面均研磨出一段长度为10mm的D型凹槽，保持研磨的包层2的切面平滑，且位于D型凹槽内侧底壁的切面与纤芯1之间的垂直距离为300nm，研磨结束后，用酒精清洗包层2的切面；
（2）制备金银复合膜6：将步骤（1）得到的双D型光纤固定在玻璃基片上，采用磁控溅射法在两个D型凹槽内侧底壁的切面上溅射一层厚度为40nm的银薄膜3，在银薄膜3上溅射一层厚度为10nm的金薄膜4；
（3）制备石墨烯层5：采用化学气相沉积法在金银复合膜6上生长1层的石墨烯。
参见图3，将制作完成的双D型光纤传感器的双D型光纤放入传感区域9的环境中，传感区域9的环境为氯化钠溶液，不断地往氯化钠溶液中加入氯化钠直至饱和，并在整个过程中通过阿贝折射计得出不同浓度的氯化钠溶液对应的折射率，同时通过观察光谱仪11解调出来的SPR透射谱，得出具体折射率对应的共振波长，完成对双D型光纤SPR传感器的折射率标定。
所述基于石墨烯复合膜的双D型光纤传感器结构参数通过时域有限差分法（FDTD）进行仿真分析。
分析案例：一种基于石墨烯复合膜的双D型光纤传感器的分析方法，具体如下：
使用基于时域有限差分（FDTD）算法的软件FDTD Solutions，首先构造基于石墨烯复合膜的双D型光纤的模型，然后设置仿真区域，仿真边界采用完美匹配层（PML），在金属薄膜处添加mesh提高网格精度，添加监视器，最后添加光源7，光源7采用高斯光。通过改变仿真区域的背景折射率，可以观察监视器中SPR透射谱的变化。图4为本发明设计模型在折射率1.33和1.34条件下金银复合膜6上有无石墨烯的透射谱比较图，能够发现：覆石墨烯后，传感器的透射谱透射深度更深，说明SPR效果得到了增强，并且灵敏度相比于未覆石墨烯的情况下得到一定的提高。
本实施例采用金银复合膜6代替传统的金膜或银膜，既保持了基于银膜SPR结构的高灵敏度的特点，又有了基于金膜SPR结构的稳定性，增加使用寿命。在金银复合膜6上敷设石墨烯层5，石墨烯与功函数大于5.4eV的金膜（金功函数为5.54eV）结合时，为了平衡费米能级，电子会从石墨烯转移到金膜表面，从而增强了共振电子的振荡，扩大了表面等离子激元的作用领域，进一步提高传感器的灵敏度。因此，一种基于石墨烯复合膜的双D型光纤传感器相比于原有技术，拥有使用寿命长、灵敏度高的优点。
实施例2：与实施例1所不同的是：所述包层2上的抛光面与纤芯1之间的垂直距离为400nm；所述银薄膜3的厚度为45nm；所述金薄膜4的厚度为15nm；所述石墨烯层5的层数为5层。
实施例3：与实施例1所不同的是：所述包层2上的抛光面与纤芯1之间的垂直距离为500nm；所述银薄膜3的厚度为50nm；所述金薄膜4的厚度为20nm；所述石墨烯层5的层数为10层。
本发明的保护范围包括但不限于以上实施方式，本发明的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于石墨烯复合膜的双D型光纤传感器，其特征在于：包括纤芯、包层、金银复合膜和石墨烯层，所述纤芯的外表面包裹有一层包层，所述包层的两侧面均设有D型凹槽，两个所述D型凹槽以纤芯为中心轴线相互对称，所述包层上的D型凹槽的内侧底壁为抛光面，所述抛光面上镀有一层金银复合膜，所述金银复合膜的表面敷设有石墨烯层。
2.根据权利要求1所述的基于石墨烯复合膜的双D型光纤传感器，其特征在于：所述金银复合膜包括金薄膜和银薄膜，所述抛光面上镀有一层银薄膜，所述银薄膜的表面上镀有一层金薄膜。
3.根据权利要求2所述的基于石墨烯复合膜的双D型光纤传感器，其特征在于：还包括光源、单模光纤、掺铒光纤放大器和光谱仪，所述光源通过单模光纤与所述纤芯的一端连接，所述纤芯的另一端通过单模光纤与掺铒光纤放大器连接，所述掺铒光纤放大器与光谱仪连接。
4.根据权利要求3所述的基于石墨烯复合膜的双D型光纤传感器，其特征在于：所述光源为宽光谱光源。
5.根据权利要求1所述的基于石墨烯复合膜的双D型光纤传感器，其特征在于：所述包层上的抛光面的长度为10mm，所述包层上的抛光面与纤芯之间的垂直距离为300nm～500nm。
6.根据权利要求2所述的基于石墨烯复合膜的双D型光纤传感器，其特征在于：所述银薄膜的厚度为40nm～50nm，所述金薄膜的厚度为10nm～20nm。
7.根据权利要求1所述的基于石墨烯复合膜的双D型光纤传感器，其特征在于：所述石墨烯层的层数为1层～10层。
8.一种基于石墨烯复合膜的双D型光纤传感器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤:
（1）制作双D型光纤：取一根单模光纤，去除单模光纤外表面的外保护层，清洗并去除外保护层的碎屑，裸露出单模光纤的包层，将单模光纤固定住，在单模光纤的包层两边的侧面均研磨出D型凹槽，保持研磨的包层的切面平滑，研磨结束后，清洗包层的切面；
（2）制备金银复合膜：固定步骤（1）得到的双D型光纤，在两个D型凹槽内侧底壁的切面上溅射一层银薄膜，在银薄膜上溅射一层金薄膜；
（3）制备石墨烯层：采用化学气相沉积法在金银复合膜上生长石墨烯。
9.根据权利要求8所述的基于石墨烯复合膜的双D型光纤传感器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤:
（1）制作双D型光纤：取一根单模光纤，用光纤保护层剥离器去除单模光纤外表面的外保护层，用酒精清洗并去除外保护层的碎屑，裸露出单模光纤的包层，再用夹具将单模光纤固定住，采用研磨的方法，在单模光纤的包层两边的侧面均研磨出一段长度为10mm的D型凹槽，保持研磨的包层的切面平滑，且位于D型凹槽内侧底壁的切面与纤芯之间的垂直距离为300nm～500nm，研磨结束后，用酒精清洗包层的切面；
（2）制备金银复合膜：将步骤（1）得到的双D型光纤固定在玻璃基片上，采用磁控溅射法在两个D型凹槽内侧底壁的切面上溅射一层厚度为40nm～50nm的银薄膜，在银薄膜上溅射一层厚度为10nm～20nm的金薄膜；
（3）制备石墨烯层：采用化学气相沉积法在金银复合膜上生长1层～10层的石墨烯。
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