CN110376163A - 基于石墨烯和侧抛单多单光纤的湿度传感器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于石墨烯和侧抛单多单光纤的湿度传感器及制备方法。该湿度传感器包括多模光纤、输入单模光纤和输出单模光纤，输入单模光纤和输出单模光纤分别与多模光纤的两端准直地熔接成单模‑多模‑单模光纤结构；多模光纤的一个侧面的全部包层和部分纤芯被抛磨掉得到一个侧抛平面，侧抛平面覆盖有单层石墨烯薄膜；光源发出的光通过输入单模光纤进入到侧抛多模光纤部分，当外界环境的湿度发生变化时，基于多模干涉效应和倏逝场效应，侧抛多模光纤内的传输光场会发生相应的变化。本发明具有湿度灵敏度高、制备工艺简单、成本低等优点。
Description
技术领域
本发明属于光纤湿度传感器领域，具体涉及一种基于石墨烯和侧抛单多单模光纤的湿度传感器。
背景技术
湿度是一种常用来表征环境中水蒸气含量的物理量，是影响人类生产生活的比较重要的参数。如今随着社会生产自动化程度的不断提高，精确测量环境中的湿度将会变得愈来愈重要，高性能的湿度传感器将会在天气预报、仓储物流、环境监测、工业生产等众多领域中得到广泛的应用。目前市场上广泛使用的湿度传感器仍为电子湿度传感器，虽然经过几十年的发展，电子传感器在测量范围、测量精度和灵敏度等方面达到了不错的结果，但是在某些特殊领域中电子传感器仍然存在着很多不足，例如，响应时间长、湿度滞后性差、工作温度范围有限，以及抗电磁干扰能力差等。因此研究新型的高性能光纤湿度传感器具有较高的商业价值和战略意义。
迄今为止，很多种类的光纤结构和制备工艺被不断的提出并制备成不同类型的光纤湿度传感器，其中研究比较多的光纤结构为光子晶体光纤、微纳光纤以及D型光纤等。然而受限于昂贵的价格，基于光子晶体光纤的湿度传感器无法得到广泛的生产和应用；微纳光纤是一种通过光纤拉锥技术将普通单模光纤熔融拉锥制备得到的，拉锥后的光纤直径一般只有几个微米，虽然其具有比较高的湿度灵敏度，但是制备过程十分依赖操作者的经验，并且装配一套光纤拉锥系统需要比较高昂的成本；D型光纤可以通过光纤模具拉制而成，也可以利用光纤侧抛装置将普通单模光纤侧面抛磨制备得到，相比于上述的光子晶体光纤和微纳光纤，D型光纤的成本比较低，制备工艺也比较简单，但是抛磨时间比较长，而且抛磨后的光纤结构比较脆弱。
对于普通的单模-多模-单模光纤结构来说，它是一种比较简单的由一段多模光纤与两段单模光纤准直熔接制备而成的光纤结构。当光从单模光纤输入到多模光纤中时，单模光纤中的基模会激发多模光纤中高阶模式，这些模式会随着光在多模光纤中传输而互相干涉，这种现象就是多模干涉现象。另外除了可以沿多模光纤轴向传输的光场外，还存在垂直于轴向的倏逝场，这种倏逝场效应常被用来探测外界环境的变化，例如折射率、湿度、浓度等。但是对于普通的单模-多模-单模光纤结构来说，由于多模光纤完整的包层阻止了倏逝场与外界环境的相互作用，所以无法有效的探测出外界环境中湿度等物理量的变化。
发明内容
为了克服现有技术不足，本发明提供了基于石墨烯和侧抛单多单光纤的湿度传感器及制备方法，将光纤侧抛技术应用到单模-多模-单模光纤结构中，通过将多模光纤的一个面的全部包层和部分纤芯抛磨掉，使得光纤的倏逝场可以与外界环境相互作用，另外在多模光纤的侧抛平面上放置单层石墨烯薄膜，增强了光纤结构的湿度传感性能。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于石墨烯和侧抛单多单光纤的湿度传感器，包括多模光纤、输入单模光纤和输出单模光纤，输入单模光纤和输出单模光纤分别与多模光纤的两端准直地熔接成单模-多模-单模光纤结构；所述多模光纤的一个侧面的全部包层和部分纤芯被抛磨掉得到一个侧抛平面，侧抛平面覆盖有单层石墨烯薄膜；光源发出的光通过输入单模光纤进入到侧抛多模光纤部分，当外界环境的湿度发生变化时，基于多模干涉效应和倏逝场效应，侧抛多模光纤内的传输光场会发生相应的变化。
所述的单层石墨烯薄膜是利用PMMA转移法从铜基石墨烯上转移得到。
所述的输入单模光纤连接超连续谱光源，输出单模光纤连接光谱分析仪，通过解调输出光谱与初始波长的偏移量或者传输光强变化得到相应的湿度值。
一种所述的湿度传感器的制备方法，
制备过程包括以下步骤：
步骤1：利用光纤切割刀和光纤熔接机将一段长度为4cm的多模光纤准直地熔接到两段单模光纤之间，制备成单模-多模-单模光纤结构；
步骤2：利用光纤侧抛仪器将上述的单模-多模-单模光纤结构的多模光纤部分进行侧面抛磨得到侧抛多模光纤，抛磨的长度为4cm，抛磨的深度为30μm；
步骤3：依次利用PMMA和氯化铁溶液将生长在铜箔上的单层石墨烯转移到PMMA衬底上，形成PMMA-单层石墨烯薄膜，在去离子水环境中将PMMA-单层石墨烯薄膜转移到侧抛多模光纤的侧抛平面上；
步骤4：将PMMA-单层石墨烯薄膜烘干，然后用丙酮溶液将PMMA衬底移除，就得到一种基于单层石墨烯和侧抛单多单模光纤的湿度传感器。
与现有的技术方案相比，本发明的有益效果：
本发明具有灵敏度高、结构稳定、制备工艺简单、制备过程便于控制等优点。
1、与现有的电子湿度传感器相比，所述基于单层石墨烯和侧抛单多单光纤的湿度传感器具有灵敏度高、免疫电磁干扰、响应时间短等优势；
2、与基于拉锥光纤结构的湿度传感器相比，所述基于单层石墨烯和侧抛单多单光纤的湿度传感器具有制备成本低，制备方式简单等优点，并且侧抛多模光纤的侧抛平面为放置单层石墨烯薄膜提供了良好的平台，降低操作难度，提高湿度传感器的整体性能；
3、与基于侧抛单模光纤的湿度传感器相比，所述基于单层石墨烯和侧抛单多单光纤的湿度传感器是对多模光纤进行侧抛，在湿度测量的过程中，可以将多模光纤内的多模干涉效应和倏逝场效应相结合，提高湿度传感的灵敏度，另外，多模光纤只需侧抛较短的深度就可以达到湿度传感的目的，而单模光纤需要侧抛较长的深度才能达到湿度传感的目的，所以侧抛多模光纤不仅可以减少制备时间，还可以保证湿度传感器的整体结构稳定性；
4、单层石墨烯非常良好的光学特性和电学特性有助于提高光纤湿度传感器的灵敏度。
附图说明
图1为侧抛单多单光纤的结构示意图
图2为放置单层石墨烯薄膜后的侧抛多模光纤的横截面示意图。
图3为本发明光纤湿度传感器测量湿度传感特性的实验装置图。
图4为当外界环境湿度从30变化到80%时，本发明光纤湿度传感器测得的传输光谱。
图中：输入单模光纤1、侧抛多模光纤2、输出单模光纤3、单层石墨烯薄膜4、侧抛多模光纤纤芯5、侧抛多模光纤包层6、超连续谱光源7、温湿度箱8、光谱分析仪9。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。
如图1-2所示，本发明的一种基于石墨烯和侧抛单多单光纤的湿度传感器包括输入单模光纤1、侧抛多模光纤2、输出单模光纤3和单层石墨烯薄膜4，所述的输入单模光纤1和输出单模光纤3分别与侧抛多模光纤2的两端准直的熔接在一起，所述多模光纤2的一个侧面的全部包层和部分纤芯被抛磨掉得到一个侧抛平面，所述单层石墨烯薄膜4放置在侧抛多模光纤2的侧抛平面上。超连续谱光源7发出的光通过输入单模光纤1进入到侧抛多模光纤2时，单模光纤的基模会激发出侧抛多模光纤2中的高阶模式，这些模式会随着光在侧抛多模光纤2中传输发生相互干涉，当光传输到输出单模光纤3时，这些模式间的干涉特性会呈现在输出光谱上。
当环境中湿度发生变化时，由于单层石墨烯薄膜4具有非常良好的光学特性和电学特性，它对侧抛多模光纤2的多模干涉和倏逝场产生作用，继而得到有相应变化的输出光谱。输出单模光纤3连接光谱分析仪9后，可以通过解调光谱分析仪9上输出光谱的变化，就可以得到此时环境的湿度值。
一种根据所述的湿度传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：利用光纤切割刀和光纤熔接机将一段长度为4cm的多模光纤准直地熔接到两段单模光纤之间，制备成单模-多模-单模光纤结构；
步骤2：利用光纤侧抛仪将上述的单模-多模-单模光纤结构的多模光纤部分进行侧面抛磨，抛磨的长度为4cm，抛磨的深度为30μm；
步骤3：依次利用PMMA和氯化铁溶液将生长在铜箔上的单层石墨烯转移到PMMA衬底上，形成PMMA-单层石墨烯薄膜，在去离子水环境中将PMMA-单层石墨烯薄膜转移到侧抛多模光纤的侧抛平面上；
步骤4：将PMMA-单层石墨烯薄膜烘干，然后用丙酮溶液将PMMA衬底移除，就得到一种基于单层石墨烯和侧抛单多单光纤的湿度传感器。
制备实施例
将铜基石墨烯从铜箔上转移到侧抛多模光纤2的侧抛平面包括以下过程：现有的铜基石墨烯一般是利用化学气相沉积技术在铜箔上生成一层单层石墨烯。将PMMA颗粒溶解到二氯甲烷溶液中，配制成质量比为5%的PMMA溶液。使用旋涂机将PMMA溶液旋涂到铜基石墨烯上，固化后可以得到PMMA-单层石墨烯-铜箔结构，并切成尺寸为4cm*1mm长条状。将氯化铁粉末溶解到去离子水中配制成饱和的氯化铁溶液，将PMMA-单层石墨烯-铜箔放入到氯化铁溶液中，等待数个小时，铜箔被完全腐蚀干净，得到PMMA-单层石墨烯薄膜。用制备成的单模-侧抛多模-单模光纤把PMMA-单层石墨烯薄膜从溶液中捞起来，并确保单层石墨烯一侧平整得放置在侧抛多模光纤的侧抛平面上。之后用去离子水多次冲洗侧抛单多单光纤和PMMA-单层石墨烯薄膜，去除残留的氯化铁溶液。首先放置在室温下数小时使水分自然蒸发，然后将整个结构放到烤箱中烘干10分钟左右。利用丙酮溶液将单层石墨烯的PMMA衬底溶解，就可以得到一种基于单层石墨烯和侧抛单多单光纤的湿度传感器。
图1为本发明的一种基于石墨烯和单模-侧抛多模-单模光纤的湿度传感器的三维结构示意图。所述传感器主要由单模-侧抛多模-单模光纤结构以及覆盖其侧抛表面上的单层石墨烯组成，其中单模-侧抛多模-单模光纤结构由输入单模光纤1、侧抛多模光纤2、输出单模光纤3组成。两段单模光纤成圆柱型，由纤芯和包层组成；侧抛多模光纤成D型，一侧的包层被完全抛磨掉，纤芯被部分抛磨。所述的单层石墨烯薄膜的长度大约为4cm，宽度为1mm，平放在侧抛多模光纤的侧抛平面上，与抛磨后的多模光纤的包层和纤芯紧贴在一起。
图2为本发明的单层石墨烯覆盖的侧抛多模光纤结构的横截面示意图。图中仅以侧抛深度为30μm为例，单层石墨烯覆盖的侧抛多模光纤从上到下可以分为三层，分别为单层石墨烯薄膜4、侧抛多模光纤纤芯5、侧抛多模光纤包层6。未侧抛的多模光纤的包层直径为125μm，多模光纤的纤芯直径为105μm；侧抛后的多模光纤的包层直径剩余95μm，纤芯直径剩余85μm。
应用实施例
本发明的光纤湿度传感器的湿度测量过程和测量结果如下。
图3为本发明的基于石墨烯和侧抛单多单光纤的湿度传感器测量湿度的实验装置示意图。如图所示，本发明的实验装置从左到右包括超连续谱光源7、温湿度箱8（含基于单层石墨烯的侧抛单多单光纤结构）、光谱分析仪9。上述光纤结构位于温湿度箱8内，关闭箱门，光纤结构的输入单模光纤1和输出单模光纤2通过温湿度箱8两侧的开口分别连接超连续谱光源7和光谱分析仪9，然后用橡胶塞堵住两侧的开口。超连续谱光源7发出的连续光通过入射单模光纤1进入到所述的光纤结构中，然后利用光谱分析仪9接收输出单模光纤3出射的光信号。当温湿度箱8内的湿度值从30%改变到80%时，可以从光谱分析仪9上得到传输光谱的变化。图4为温湿度箱9内的湿度以10%的间隔从30%增加到80%时，光谱分析仪9上得到的传输光谱的变化情况。从图中结果可以看出，随着温湿度箱8内的湿度值不断增加，1530nm波长附近的干涉峰向长波长方向偏移，并且对应波长处的光强会逐渐变小。当只考虑湿度对于波长漂移的影响时 ，通过对实验数据进行拟合等处理，可以得到本发明的光纤湿度传感器的灵敏度为74.8pm/%RH；当只考虑湿度对于强度的影响时，本发明的光纤湿度传感器的灵敏度为-10.2dB/%RH。
Claims (4)
1.一种基于石墨烯和侧抛单多单光纤的湿度传感器，其特征在于，包括多模光纤、输入单模光纤和输出单模光纤，输入单模光纤和输出单模光纤分别与多模光纤的两端准直地熔接成单模-多模-单模光纤结构；
所述多模光纤的一个侧面的全部包层和部分纤芯被抛磨掉得到一个侧抛平面，侧抛平面覆盖有单层石墨烯薄膜；
光源发出的光通过输入单模光纤进入到侧抛多模光纤部分，当外界环境的湿度发生变化时，基于多模干涉效应和倏逝场效应，侧抛多模光纤内的传输光场会发生相应的变化。
2.根据权利要求1所述的湿度传感器，其特征在于，所述的单层石墨烯薄膜是利用PMMA转移法从铜基石墨烯上转移得到。
3.根据权利要求1所述的湿度传感器，其特征在于，所述的输入单模光纤连接超连续谱光源，输出单模光纤连接光谱分析仪，通过解调输出光谱与初始波长的偏移量或者传输光强变化得到相应的湿度值。
4.一种根据权利要求1所述的湿度传感器的制备方法，其特征在于，
制备过程包括以下步骤：
步骤1：利用光纤切割刀和光纤熔接机将一段长度为4cm的多模光纤准直地熔接到两段单模光纤之间，制备成单模-多模-单模光纤结构；
步骤2：利用光纤侧抛仪器将上述的单模-多模-单模光纤结构的多模光纤部分进行侧面抛磨得到侧抛多模光纤，抛磨的长度为4cm，抛磨的深度为30μm；
步骤3：依次利用PMMA和氯化铁溶液将生长在铜箔上的单层石墨烯转移到PMMA衬底上，形成PMMA-单层石墨烯薄膜，在去离子水环境中将PMMA-单层石墨烯薄膜转移到侧抛多模光纤的侧抛平面上；
步骤4：将PMMA-单层石墨烯薄膜烘干，然后用丙酮溶液将PMMA衬底移除，就得到一种基于单层石墨烯和侧抛单多单模光纤的湿度传感器。
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