CN108732101B - 石墨烯集成倾斜光纤光栅折射率传感器及灵敏度调控方法 - Google Patents

石墨烯集成倾斜光纤光栅折射率传感器及灵敏度调控方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种具有宽波段动态调控、快速响应、高灵敏等特性的石墨烯集成倾斜光纤光栅折射率传感器及灵敏度调控方法，包括宽带光源、偏振控制器、待测样品池、光谱分析仪、单模光纤，待测样品池内放置有石墨烯集成倾斜光纤光栅的反应器皿，所述的石墨烯集成倾斜光纤光栅为涂覆有石墨烯的倾斜光纤光栅构成。通过调控涂覆在倾斜光纤光栅包层表面石墨烯的化学势来改变石墨烯的电导率及其折射率，使倾斜光纤光栅的模式特性及谐振波长发生改变，从而调控并优化石墨烯集成倾斜光纤光栅传感器的传感性能。

Description

石墨烯集成倾斜光纤光栅折射率传感器及灵敏度调控方法
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种石墨烯集成倾斜光纤光栅折射率传感器及其灵敏度调控方法。
背景技术
折射率检测或传感技术广泛应用于生化工业、生命医学、环境监测以及食品安全等重要领域。光纤光栅折射率传感器具有许多优异的特点，如免标记、高灵敏和多参量传感等。目前广泛应用的光纤光栅传感器包括布拉格光纤光栅、长周期光纤光栅、倾斜光纤光栅等类型。其中，长周期光纤光栅在折射率传感灵敏度方面具有较明显的优势。然而，长周期光纤光栅受到温度交叉传感等方面的影响，因而在实际应用中通常需要考虑温度补偿等因素，这在一定程度上限制了其应用范围。与之相比，倾斜光纤光栅不仅具有长周期光纤光栅的光谱特性，同时展现出非常低的温度灵敏性，因此非常适用于折射率传感。
为进一步提高倾斜光纤光栅的传感灵敏度，目前常用的方法主要有三种。第一，腐蚀或改变光纤光栅结构，从而增强光波与待测物质的相互作用。然而，该方法破坏了光纤的结构，从而对传感器件的稳定性和机械强度产生了一定的影响。第二，在光栅区域的包层表面涂敷微纳米量级特异性传感薄膜，通过模式转化效应将包层模能量耦合至传感薄膜内并产生谐振，从而增强光波与待测物质的相互作用。然而，该方法需要精确控制膜层的厚度来优化光纤光栅的传感性能，对器件制备工艺要求较高。第三，通过在光栅区域的包层表面涂敷纳米量级金属膜，使满足匹配条件的包层模在金属膜内激励起表面等离子体共振波。表面等离子体共振波的倏逝场延伸至待测物质中，因而增强了传感器件对待测物质的感知能力。然而，金属膜通常具有较稳定的性质，通常难以在大范围内调控其光电特性，因此不能有效地调控金属膜涂覆光纤光栅传感器件的传感特性。
虽然以上方法在一定范围内极大推动了光纤光栅传感器件发展，但是难以满足动态可调光纤传感器件的发展趋势。
发明内容
本发明的目的在于为了克服现有技术的缺点与不足，提供一种具有宽波段动态调控、快速响应、高灵敏等特性的石墨烯集成倾斜光纤光栅折射率传感器及其灵敏度调控方法，通过调控涂覆在倾斜光纤光栅包层表面石墨烯的化学势来改变石墨烯的电导率及其折射率，使倾斜光纤光栅的模式特性及谐振波长发生改变，从而调控并优化石墨烯集成倾斜光纤光栅传感器的传感性能。
本发明所采取的技术方案如下：石墨烯集成倾斜光纤光栅折射率传感器，包括：
宽带光源，用于产生具有一定宽波段的入射光，所述的宽带光源的输出光谱范围涵盖石墨烯集成倾斜光纤光栅的光谱范围；
偏振控制器，用于接收所述宽带光源产生的非偏振光，并转化为单一偏振态的p或s偏振光；
待测样品池，为放置有石墨烯集成倾斜光纤光栅的反应器皿，所述的石墨烯集成倾斜光纤光栅为涂覆有石墨烯的倾斜光纤光栅构成，p或s偏振光输入至石墨烯集成倾斜光纤光栅后，在其纤芯内激励起p或s偏振态纤芯导模；在谐振波长处，p或s偏振态纤芯导模在光栅区域耦合至系列p或s偏振态包层模式并产生双峰谐振；
光谱分析仪，用于监测石墨烯集成倾斜光纤光栅输出光谱的变化；
单模光纤，用于连接偏振控制器和石墨烯集成倾斜光纤光栅，以及连接石墨烯集成倾斜光纤光栅和光谱分析仪。
所述宽带光源输出光谱范围为1300nm~1600nm。
所述石墨烯为5层石墨烯，石墨烯是通过sp2杂化形成的平面碳原子六元环结构，是一种典型的零带隙半导体二维新材料，具有优异的光电可调控特性，单层石墨烯在宽波段内的光波吸收率仅为2.3%；石墨烯层数低于5层时，不同石墨烯层之间的耦合作用非常微弱，大于10层时，石墨烯特性已接近于石墨，因此5层石墨烯既增强了石墨烯与倾斜光纤光栅光场的相互作用，同时保持了石墨烯优异的光学调控特性。
所述石墨烯集成倾斜光纤光栅为涂覆有5层石墨烯的光栅倾角为87°的倾斜光纤光栅构成，同时具备石墨烯快速动态可调光学特性和倾斜光纤光栅高灵敏传感特性的优异特性，通过外加电场可实时调控石墨烯的电导率及复折射率，从而改变倾斜光纤光栅的模式特性，进一步调控倾斜光纤光栅的谐振特性，如谐振波长和谐振强度，从而优化倾斜光纤光栅的传感特性。
所述石墨烯集成倾斜光纤光栅的参数如下：纤芯半径4.1μm，包层半径62.5μm，纤芯折射率比包层折射率高0.36%，折射率调制幅度为2.0×10-4，光栅长度介于20mm~30mm之间，光栅周期根据相位匹配条件而确定，对于不同的包层模谐振，其光栅周期不尽相同。
优选地，倾斜光纤光栅的周期为178.8μm。
一种上述的石墨烯集成倾斜光纤光栅折射率传感器的灵敏度调控方法，首先通过化学掺杂或通过外加电压调控石墨烯化学势，从而改变石墨烯的电导率及其折射率，然后调控石墨烯集成倾斜光纤光栅的模式特性及其模式耦合过程，进一步调控石墨烯集成倾斜光纤光栅的模式特性及谐振波长，最后优化石墨烯集成倾斜光纤光栅的传感性能。
优选地，石墨烯的化学势通过外加电压调控。
本发明的有益效果如下：（1）本发明应用石墨烯作为倾斜光纤光栅涂敷层而非传统的微纳米量级传感薄膜或微纳颗粒等，从而简化了传感器件的制备工艺。在光纤光栅表面涂覆传统的微纳米传感薄膜或微纳颗粒需要精密的参数控制及制备工艺。与之相比，石墨烯是一种典型的二维材料，单层石墨烯的厚度一定，制备工艺简单，在光纤光栅表面涂覆石墨烯不需要精密的实验设备。
（2）本发明利用石墨烯优异的光电可调特性来调控倾斜光纤光栅的模式特性及模式耦合过程，从而调控并优化其传感特性。与普遍采用的涂敷微纳米量级特异性传感薄膜、涂敷纳米量级金属膜或金属微粒等方法相比，石墨烯涂覆倾斜光纤光栅具有更高的传感灵敏度，更优异的动态调控范围，且响应速度快。
（3）本发明提出的石墨烯集成倾斜光纤光栅传感器可通过外加电压来动态调控倾斜光纤光栅的谐振特性，从而优化其传感性能。与传统的通过腐蚀或改变光纤光栅结构等灵敏度优化方法相比，该方法不需要破坏光纤光栅结构，从而保证了传感器件的机械稳定性，且操作简单。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。
图1 石墨烯集成倾斜光纤光栅折射率传感器原理框图；
图2 石墨烯集成倾斜光纤光栅原理图；
图3 石墨烯集成倾斜光纤光栅折射率传感器灵敏度调控方法；
图4 石墨烯化学势对石墨烯集成倾斜光纤光栅模式特性的影响规律。其中，图4(a)~(b)分别为未涂覆石墨烯倾斜光纤光栅的TE/TM0,11和HE2,10包层模式特性，图4(c)~(d)分别为波长为1.4μm时不同化学势对石墨烯集成倾斜光纤光栅TE/TM0,11和HE2,10包层模式特性的影响规律，图4(e)~(f)分别为波长为1.5μm时不同化学势对石墨烯集成倾斜光纤光栅TE/TM0,11和HE2,10包层模式特性的影响规律；
图5 石墨烯集成倾斜光纤光栅在不同化学势时的透射谱，其中，图5(a)为p偏振态时的透射谱，图5(b)为s偏振态时的透射谱；
图6 石墨烯集成倾斜光纤光栅在不同化学势时的传感特性。其中，图6(a)为未涂覆石墨烯倾斜光纤光栅的传感特性，图6(b)~(e)分别对应化学势为0.2eV、0.4eV、0.7eV及1.0eV时的石墨烯集成倾斜光纤光栅传感特性；
图7 石墨烯集成倾斜光纤光栅传感特性随化学势的调控规律；
图中，1，宽带光源；2，偏振控制器；3，单模光纤；4，石墨烯集成倾斜光纤光栅；5，待测样品池；6，光谱分析仪；7，石墨烯；8，倾斜光纤光栅；9，待测样品。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
实施例一
一种石墨烯集成倾斜光纤光栅折射率传感器，如图1所示，包括：宽带光源1、偏振控制器2、单模光纤3、石墨烯集成倾斜光纤光栅4、待测样品池5及光谱分析仪6。宽带光源1经偏振控制器2后通过单模光纤2与石墨烯集成倾斜光纤光栅4的一端连接，石墨烯集成倾斜光纤光栅4的另一端通过单模光纤2与光谱分析仪6连接，石墨烯集成倾斜光纤光栅4置于待测样品池5内的待测样品9内部。如图2所示，其中石墨烯集成倾斜光纤光栅4由涂覆有5层石墨烯7的光栅倾角为87°的倾斜光纤光栅8构成。其中，rco和rcl分别表示纤芯和包层半径，nco和ncl分别表示纤芯和包层折射率，nsri表示待测样品折射率，θ表示光栅倾角，Λ表示倾斜光栅周期。
石墨烯集成倾斜光纤光栅折射率传感器的工作原理为：所述的宽带光源1输出近红外波段的非偏振光，通过所述的偏振控制器2后转化为单一偏振方向的p或s偏振光，并经单模光纤3输入至放置于所述的待测样品池5内的石墨烯集成倾斜光纤光栅4，石墨烯集成倾斜光纤光栅4由含5层石墨烯涂覆层7的倾角达87°的倾斜光纤光栅8组成；所述的p或s偏振光输入至所述的石墨烯集成倾斜光纤光栅4后，在其纤芯内激励起p或s偏振态纤芯导模；在谐振波长处，所述的p或s偏振态纤芯导模在光栅区域耦合至系列p或s偏振态包层模式并产生双峰谐振；所述的石墨烯集成倾斜光纤光栅4的输出光经单模光纤3进入至所述的光谱分析仪6并在谐振波长处产生双损耗峰或双谐振峰，通过监测谐振峰或谐振波长随待测样品的变化，从而实现待测样品的传感监测。
宽带光源的输出光谱范围涵盖石墨烯集成倾斜光纤光栅的光谱范围，即1300nm~1600nm。
石墨烯集成倾斜光纤光栅的参数为：纤芯半径4.1μm，包层半径62.5μm，纤芯折射率比包层折射率高0.36%，纤芯折射率调制幅度为2.0×10-4，光栅倾角为87°，光栅长度为26mm，光栅周期为178.8μm，石墨烯由5层石墨烯构成，其中单层石墨烯厚度为0.34nm。
实施例二
如图3所示，实施例一中的石墨烯集成倾斜光纤光栅折射率传感器可以通过化学掺杂或通过外加电压进行调节灵敏度，具体原理如下：石墨烯的化学势可通过化学掺杂或通过外加电压进行实时调控，从而改变石墨烯的电导率及其折射率，进一步调控倾斜光纤光栅的模式特性及其模式耦合过程，使石墨烯集成倾斜光纤光栅的谐振波长发生改变，从而调控并优化石墨烯集成倾斜光纤光栅传感器的传感性能。优选的，通过外加电压可实时调控石墨烯的电导率及其折射率，从而实时调控并优化石墨烯集成倾斜光纤光栅传感器的传感性能。
石墨烯化学势对石墨烯集成倾斜光纤光栅模式特性的影响规律如图4所示。其中，有效折射率变化等于涂覆石墨烯后的有效折射率减去未涂覆石墨烯时的有效折射率。可以得到，未涂覆石墨烯的倾斜光纤光栅的包层模式有效折射率虚部近似等于0。当在倾斜光纤光栅表面涂覆石墨烯并调控其化学势时，包层模式有效折射率的实部和虚部均发生了明显的变化。当石墨烯化学势逐渐增大时， s偏振态包层模式（即TE0,11和s偏振HE2,10包层模式）的有效折射率实部首先增大，随后再一直减小；其有效折射率虚部首先具有较稳定的变化，然后突然增大至约等于0，表明此时有效折射率虚部没有发生变化。对于p偏振态包层模式（即TM0,11和p偏振HE2,10包层模式），其有效折射率实部和虚部均具有与s偏振态类似的变化规律，但是在变化过程中出现了突变的现象。由于有效折射率实部变化对应于谐振波长的变化，有效折射率虚部对应于谐振强度的变化，图4表明，通过调控石墨烯的化学势可以调控倾斜光纤光栅的谐振特性。
石墨烯集成倾斜光纤光栅在不同化学势时的透射谱如图5所示。通过偏振控制器将输入光转化为单一偏振方向的p或s偏振光，经倾斜光纤光栅后输入至光谱分析仪，分别得到p偏振态透射谱或s偏振态透射谱。未涂覆石墨烯的倾斜光纤光栅产生了强的双峰谐振。涂覆石墨烯后，石墨烯集成倾斜光纤光栅的透射谱与石墨烯的化学势密切相关。当石墨烯化学势为0.2eV和0.4eV时，石墨烯集成倾斜光纤光栅具有较弱的双峰谐振，同时谐振波长变化较小。当石墨烯化学势为0.7eV和1.0eV时，石墨烯集成倾斜光纤光栅具有较强的双峰谐振，同时谐振波长变化较大。与图4对比，石墨烯集成倾斜光纤光栅的谐振波长和谐振强度对应于有效折射率实部和虚部的变化规律，表明石墨烯集成倾斜光纤光栅的谐振特性可以通过石墨烯化学势进行调控。
石墨烯集成倾斜光纤光栅在不同化学势时的传感特性如图6所示。与未涂覆石墨烯的倾斜光纤光栅相比，当石墨烯化学势为0.2eV和0.4eV时，石墨烯集成倾斜光纤光栅的传感灵敏度会有所减小，主要原因在于有效折射率实部的增大（如图4所示）导致其双峰谐振波长间隔的增大。当石墨烯化学势为0.7eV和1.0eV时，石墨烯集成倾斜光纤光栅的传感灵敏度会大幅提高，其原因在于有效折射率实部的大幅减小（如图4所示）导致其双峰谐振波长间隔大幅减小。图6表明，石墨烯集成倾斜光纤光栅的传感特性可以通过调控石墨烯化学势进行优化。
石墨烯集成倾斜光纤光栅传感特性随化学势的调控规律如图7所示。随着石墨烯化学势的增加，石墨烯集成倾斜光纤光栅的传感灵敏度首先具有较稳定的变化，然后持续大幅度增大，表明涂覆石墨烯后提高了倾斜光纤光栅对待测样品折射率变化的感知能力，从而可通过调控石墨烯化学势来优化石墨烯集成倾斜光纤光栅的传感特性。
以上所述仅为本发明的一种实施例，并非用来限制本发明的保护范围；本发明的保护范围由权利要求书中的权利要求限定，并且凡是依发明所作的等效变化与修改，都在本发明专利的保护范围之内。

Claims (4)

1.石墨烯集成倾斜光纤光栅折射率传感器，其特征在于，包括：
宽带光源（1），用于产生具有一定宽波段的入射光，所述的宽带光源的输出光谱范围涵盖石墨烯集成倾斜光纤光栅的光谱范围；
偏振控制器（2），用于接收所述宽带光源（1）输出的非偏振光，并转化为单一偏振态的p或s偏振光；
待测样品池（5），为放置有石墨烯集成倾斜光纤光栅（4）的反应器皿，所述的石墨烯集成倾斜光纤光栅（4）为涂覆有石墨烯（7）的倾斜光纤光栅（8）构成，p或s偏振光输入至石墨烯集成倾斜光纤光栅（4 ）后，在其纤芯内激励起p或s偏振态纤芯导模；在谐振波长处，p或s偏振态纤芯导模在光栅区域耦合至系列p或s偏振态包层模式并产生双峰谐振；
光谱分析仪（6），用于监测石墨烯集成倾斜光纤光栅（4）输出光谱的变化；
单模光纤（3），用于连接偏振控制器（2）和石墨烯集成倾斜光纤光栅（4），以及连接石墨烯集成倾斜光纤光栅（4）和光谱分析仪（6）;
所述石墨烯集成倾斜光纤光栅（4）为涂覆有5层石墨烯（7）的光栅倾角为87°的倾斜光纤光栅（8）构成。
2.根据权利要求1所述的石墨烯集成倾斜光纤光栅折射率传感器，其特征在于：所述宽带光源（1）输出光谱范围为1300nm~1600nm。
3.根据权利要求1所述的石墨烯集成倾斜光纤光栅折射率传感器，其特征在于：所述石墨烯集成倾斜光纤光栅（4）的参数如下：纤芯半径4.1μm，包层半径62.5μm，纤芯折射率比包层折射率高0.36%，折射率调制幅度为2.0×10-4，光栅周期为178.8μm，光栅长度介于20mm~30mm之间。
4.一种权利要求1-3任一项所述的石墨烯集成倾斜光纤光栅折射率传感器的灵敏度调控方法，其特征在于：首先通过化学掺杂或通过外加电压调控石墨烯化学势，从而改变石墨烯的电导率及其折射率，然后调控石墨烯集成倾斜光纤光栅的模式特性及其模式耦合过程，进一步调控石墨烯集成倾斜光纤光栅的谐振波长，最后优化石墨烯集成倾斜光纤光栅的传感性能。
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