CN205317655U - 基于氧化石墨烯薄膜和偏振相关性的光纤湿度传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型通过在马赫-曾德尔干涉仪中加入一段偏振保持光纤(4)，从而构成了一种基于偏振特性的马赫-曾德尔光纤干涉仪；通过将一定功率的连续激光输入到本实用新型提出的马赫-曾德尔光纤干涉仪中，利用激光在偏振保持光纤(4)处产生的热量以及光压效应，可以在偏振保持光纤(4)侧表面均匀镀上氧化石墨烯薄膜(5)，从而形成一种基于氧化石墨烯薄膜和偏振相关性的光纤湿度传感器，属于光纤传感技术领域。氧化石墨烯薄膜具有吸湿膨胀和干燥消溶胀的特性，相应的薄膜折射率也会发生变化。在马赫-曾德尔光纤干涉仪中加入偏振保持光纤，利用偏振保持光纤的双折射和偏振相关损耗等偏振现象，可以极大的提高该新型传感器的灵敏度和分辨率。

Description

基于氧化石墨烯薄膜和偏振相关性的光纤湿度传感器

技术领域

本实用新型提出了一种基于氧化石墨烯薄膜和偏振相关性的光纤湿度传感器，属于光纤传感技术领域。

背景技术

石墨烯是一种新型的二维碳材料，具有比表面积大、导热系数高、机械强度大等优良性能。氧化石墨烯属于石墨烯最重要的衍生物，它在保留着石墨烯众多特性的同时，其表面丰富的含氧官能团使得其有着良好的亲水特性，可以稳定的分散于水溶液或者乙醇溶液中。由于氧化石墨烯表面及边缘存在着大量的含氧极性官能团，因此该材料具有良好的吸湿性。将光纤传感结构浸入氧化石墨烯分散液中，同时在该光纤传感结构中输入一定功率的连续激光，利用该激光在传感结构处产生的热量以及光压效应，可以在光纤传感器侧表面均匀镀上氧化石墨烯薄膜。利用该薄膜吸湿膨胀和干燥消溶胀的特性，可制成光纤湿度传感器。

马赫-曾德尔干涉型光纤传感器通过采用干涉测量法产生相位调制以便获得较高的灵敏度和分辨率，该原理也被广泛应用于各种光纤传感器中来监测各类待测量，其发展前景相当广阔。由于外界环境的变化会在很大程度上影响光纤中光偏振情况，利用光纤的双折射和偏振相关损耗等偏振现象制作而成的光纤传感器，其应用前景也相当广阔。高灵敏度的马赫-曾德尔光纤传感仪结合光纤的偏振敏感性，传感器的灵敏度将会得到进一步的提升。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种基于氧化石墨烯薄膜和偏振相关性的光纤湿度传感器，通过将一定功率的连续激光输入到马赫-曾德尔光纤干涉仪中，利用激光在传感结构处产生的热量以及光压效应，可以在传感结构的侧表面均匀镀上氧化石墨烯薄膜。该薄膜具有吸湿膨胀和干燥消溶胀的特性，相应的薄膜折射率也会发生变化。在马赫-曾德尔干涉型光纤传感器中加入偏振保持光纤，利用偏振保持光纤的双折射和偏振相关损耗等偏振现象，可以极大的提高该新型传感器的灵敏度和分辨率。

本实用新型通过以下技术方案实现：

本实用新型提供了一种基于氧化石墨烯薄膜和偏振相关性的光纤湿度传感器，其特征在于：由宽带光源(1)、偏振控制器(2)、光纤腰锥放大(3)、偏振保持光纤(4)、氧化石墨烯薄膜(5)、光纤错位(6)、单模光纤(7)和光谱分析仪(8)组成；光纤腰锥放大(3)、偏振保持光纤(4)和光纤错位(6)构成了马赫-曾德尔光纤干涉仪；通过将一定功率的连续激光输入到马赫-曾德尔光纤干涉仪中，利用激光在偏振保持光纤(4)处产生的热量以及光压效应，可以在偏振保持光纤(4)侧表面均匀镀上氧化石墨烯薄膜(5)；偏振控制器(2)用于控制入射光的偏振态；偏振控制器(2)左端与宽带光源(1)连接，右端与光纤腰锥放大(3)连接，光纤腰锥放大(3)右端与偏振保持光纤(4)左端连接，偏振保持光纤(4)右端与单模光纤(7)左端错位熔接形成光纤错位(6)，单模光纤(7)右端与光谱分析仪(8)连接。

所述的基于氧化石墨烯薄膜和偏振相关性的光纤湿度传感器，其特征在于：光纤腰锥放大(3)由单模光纤制作而成，长度为150～320μm，直径为150～200μm。

所述的基于氧化石墨烯薄膜和偏振相关性的光纤湿度传感器，其特征在于：偏振保持光纤(4)的型号为熊猫型，长度为10～30mm。

所述的基于氧化石墨烯薄膜和偏振相关性的光纤湿度传感器，其特征在于：偏振保持光纤(4)和单模光纤(7)错位熔接形成了光纤错位(6)，光纤错位(6)的径向错位距离保持在4～6μm。

所述的基于氧化石墨烯薄膜和偏振相关性的光纤湿度传感器，其特征在于：氧化石墨烯薄膜(5)作为湿度敏感膜，厚度为0.5～2μm。

本实用新型的工作原理是：

入射光在经过光纤腰锥放大(3)时，部分在光纤纤芯中传播的光会被耦合到光纤包层中，激发出在包层中传播的大量包层模，剩余的光将作为纤芯模继续沿纤芯向前传播；光纤错位(6)可以将包层中传播的部分包层模重新耦合到单模光纤(7)纤芯中，从而与纤芯模形成马赫-曾德尔干涉。包层模和纤芯模的相位差会随外界环境的变化而变化，相位差变化可以表示为：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\Φ}=2{\mathrm{\πn}}_{eff}^{m}L/\mathrm{\λ}---\left(1\right)$

其中表示纤芯有效折射率和第m个包层模的有效折射率之差，λ为入射光波长，L为偏振保持光纤(4)的长度。当外界环境变化时，例如折射率变化，将会引起变化，由此，通过监测相位差值的变化，再和开始标定的量对比，就可以测得当前折射率的值。

马赫-曾德尔干涉光谱的强度可以表示为：

$I=I_1+I_2+2\sqrt{I_1{I}_2}cos\left(\mathrm{\Δ}\mathrm{\Φ}\right)---\left(2\right)$

其中I₁和I₂分别表示纤芯光的强度和包层中的光强度。

由于该马赫-曾德尔光纤传感仪中加入了一段偏振保持光纤(4)，将偏振控制器(2)调节到合适的位置，那么入射光经过偏振保持光纤(4)后，对应的快轴、慢轴干涉峰将会被记录在输出的干涉图中，快轴和慢轴干涉峰所对应的共振波长可以表示为：

${\mathrm{\λ}}_f=\frac{2(n_{eff,f}^{core}-n_{eff,f}^{clad})L}{2k+1}---\left(3\right)$

${\mathrm{\λ}}_s=\frac{2(n_{eff,s}^{core}-n_{eff,s}^{clad})L}{2k+1}---\left(4\right)$

λ_f和λ_s分别表示快轴和慢轴对应的共振波长，和分别表示偏振保持光纤(4)快轴上纤芯模和包层模的有效折射率，和分别表示偏振保持光纤(4)慢轴上纤芯模和包层模的有效折射率。当外界的环境变化时，快轴和慢轴对应的两个干涉峰的变化尤为明显。

本实用新型采用的是氧化石墨烯薄膜(5)，因为其表面及边缘存在大量的含氧极性基团，因此，该材料对湿度变化敏感。氧化石墨烯薄膜吸收水分子会膨胀，干燥则会消溶胀，相应的折射率也会发生变化。当该薄膜被镀在偏振保持光纤(4)的表面时，该材料折射率的变化量将会同时作用在偏振保持光纤(4)的快轴和慢轴上，通过监测透射光谱中快轴和慢轴干涉峰的变化量，可以得到折射率的改变量，从而达到探测外界湿度的变化。

本实用新型的有益效果是：本实用新型提出将对湿度变化尤为敏感的氧化石墨烯薄膜(5)作为湿度敏感膜，该传感器对外界湿度变化的敏感性将明显增强。同时，将偏振保持光纤(4)加入到马赫-曾德尔干涉仪中，通过监测对外界环境特别敏感的快轴、慢轴干涉峰的变化，该湿度传感器的灵敏度将得到显著提升。

附图说明

图1是本实用新型的基于氧化石墨烯薄膜和偏振相关性的光纤湿度传感器特征装置示意图；

图2是本实用新型的基于氧化石墨烯薄膜和偏振相关性的光纤湿度传感器处于不同湿度下的慢轴干涉峰光强变化图；

图3是本实用新型的基于氧化石墨烯薄膜和偏振相关性的光纤湿度传感器慢轴干涉峰光强变化拟合曲线图。

具体实施方式

下面结合附图及实施实例对本实用新型作进一步描述：

参见附图1，基于氧化石墨烯薄膜和偏振相关性的光纤湿度传感器，其特征在于：由宽带光源(1)、偏振控制器(2)、光纤腰锥放大(3)、偏振保持光纤(4)、氧化石墨烯薄膜(5)、光纤错位(6)、单模光纤(7)和光谱分析仪(8)组成；光纤腰锥放大(3)、偏振保持光纤(4)和光纤错位(6)构成了马赫-曾德尔光纤干涉仪；通过将一定功率的连续激光输入到马赫-曾德尔光纤干涉仪中，利用激光在偏振保持光纤(4)处产生的热量以及光压效应，可以在偏振保持光纤(4)侧表面均匀镀上氧化石墨烯薄膜(5)；偏振控制器(2)用于控制入射光的偏振态；偏振控制器(2)左端与宽带光源(1)连接，右端与光纤腰锥放大(3)连接，光纤腰锥放大(3)右端与偏振保持光纤(4)左端连接，偏振保持光纤(4)右端与单模光纤(7)左端错位熔接形成光纤错位(6)，单模光纤(7)右端与光谱分析仪(8)连接。

光纤腰锥放大(3)利用单模光纤制作而成，采用的光纤熔接机型号为Fujikura60s，程序设置利用的是光纤熔接机的特殊功能，通过控制电弧放电功率，放电次数和放电时间来控制光纤腰锥放大(3)的直径和长度。光纤腰锥放大(3)右端和偏振保持光纤(4)左端的熔接采用光纤熔接机标准程序熔接而成，偏振保持光纤(4)右端与单模光纤(7)左端错位熔接形成光纤错位(6)采用的是光纤熔接机手动程序。

将偏振保持光纤(4)浸入氧化石墨烯分散液中，同时在该光纤传感结构中输入一定功率的连续激光，利用该激光在偏振保持光纤(4)处产生的热量以及光压效应，可以在偏振保持光纤(4)侧表面均匀镀上氧化石墨烯薄膜(5)，然后取出并置于室温下自然干燥48小时。图2为室温条件下湿度变化范围为30％～77％情况下，位于1543nm波长处慢轴干涉峰光强变化图。随着实验湿度逐渐增大，对应的慢轴干涉峰强度逐渐减小。图3是本实用新型的的慢轴干涉峰光强变化随湿度变化的拟合曲线图，相对湿度范围在30％～77％情况下的拟合度可以达到0.99；相对湿度范围在55％～77％情况下，该传感器的灵敏度可达到0.282dB/RH，线性拟合度可以达到0.99。

Claims (5)

1.基于氧化石墨烯薄膜和偏振相关性的光纤湿度传感器，其特征在于：由宽带光源(1)、偏振控制器(2)、光纤腰锥放大(3)、偏振保持光纤(4)、氧化石墨烯薄膜(5)、光纤错位(6)、单模光纤(7)和光谱分析仪(8)组成；光纤腰锥放大(3)、偏振保持光纤(4)和光纤错位(6)构成了马赫-曾德尔光纤干涉仪；通过将一定功率的连续激光输入到马赫-曾德尔光纤干涉仪中，利用激光在偏振保持光纤(4)处产生的热量以及光压效应，可以在偏振保持光纤(4)侧表面均匀镀上氧化石墨烯薄膜(5)；偏振控制器(2)用于控制入射光的偏振态；偏振控制器(2)左端与宽带光源(1)连接，右端与光纤腰锥放大(3)连接，光纤腰锥放大(3)右端与偏振保持光纤(4)左端连接，偏振保持光纤(4)右端与单模光纤(7)左端错位熔接形成光纤错位(6)，单模光纤(7)右端与光谱分析仪(8)连接。

2.根据权利要求1所述的基于氧化石墨烯薄膜和偏振相关性的光纤湿度传感器，其特征在于：光纤腰锥放大(3)由单模光纤制作而成，长度为150～320μm，直径为150～200μm。

3.根据权利要求1所述的基于氧化石墨烯薄膜和偏振相关性的光纤湿度传感器，其特征在于：偏振保持光纤(4)的型号为熊猫型，长度为10～30mm。

4.根据权利要求1所述的基于氧化石墨烯薄膜和偏振相关性的光纤湿度传感器，其特征在于：偏振保持光纤(4)和单模光纤(7)错位熔接形成了光纤错位(6)，光纤错位(6)的径向错位距离保持在4～6μm。

5.根据权利要求1所述的基于氧化石墨烯薄膜和偏振相关性的光纤湿度传感器，其特征在于：氧化石墨烯薄膜(5)作为湿度敏感膜，厚度为0.5～2μm。