CN211292586U - 一种基于氧化石墨烯迈克尔逊干涉仪的湿度传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于氧化石墨烯迈克尔逊干涉仪的湿度传感器，包括依次连接的第一段单模光纤、多模光纤和第二段单模光纤；第一段单模光纤作为入射光纤和出射光纤，用于输入光信号和输出光信号，多模光纤作为分束器和合束器，分束器使得从入射光纤中进来的光信号经过分束器耦合到调制臂中，合束器使得从调制臂中进来的光信号经过合束器耦合到出射光纤中；第二段单模光纤作为调制臂用于形成传输波导以筛选不同的光波传输模式，第二段单模光纤末端切割平整，相当于迈克尔逊干涉仪中的反射镜，让光路原路返回。本实用新型对调制臂的单模光纤表面涂覆氧化石墨烯薄膜，利用单模光纤包层与周围环境相互作用，实现迈克尔逊干涉仪的干涉条件，达到传感的目的。
Description
技术领域
本实用新型涉及光纤传感器技术领域，具体涉及一种基于氧化石墨烯迈克尔逊干涉仪的湿度传感器。
背景技术
环境湿度的测量和控制在工业，农业和人类活动中非常重要。多年来已开发出各种类型的湿度传感器。光学传感器由光学元件组成，与一般传感器相比具有以下优点：抗电磁干扰，高灵敏度，低成本，以及远距离分布测量的可能性。由于这些优势，它吸引了越来越多的国内外科学研究人员进行深入的探索和研究。然而，湿度变化是很小的。如果您想使用单独的传感器来精确测量相对湿度值，这是一个麻烦的问题。因此，越来越多的科学研究人员将注意力转向湿度敏感材料。许多科学研究人员已经完成了湿度传感器的这一方面研究，但获得的结果是有限的。由所选材料制成的传感器响应时间长，对水分子的渗透性差，灵敏度低。
石墨烯是sp2键合碳原子的二维单层，具有优异的机械性能，热性能和电性能。它具有超灵敏检测的巨大潜力。一些研究报道了石墨烯上的水吸附，但长响应时间(3-5分钟)阻碍了其应用。因此，使用石墨烯作为湿敏材料存在一些明显的缺点。作为石墨烯最重要的衍生物之一氧化石墨烯(GO)，GO因其优异的水溶液加工性，两亲性，表面功能性，表面增强拉曼散射和荧光猝灭能力而备受关注。它是一种前瞻性的生物应用材料。GO中的二维原子结构和含氧官能团，如羟基，羧基，环氧化物和羰基，使GO膜能够渗透并吸附水分子。
现有基于迈克尔逊干涉仪的光纤湿度传感器，都是通过传感臂感知外界环境，引起参考臂和传感臂之间的相位差，导致干涉仪干涉波谷的波长移动。利用光栅光谱仪等波长检测设备，探测波长的变化量，从而反推出外界的湿度变化。由于光谱仪等波长检测设备价格较为昂贵，因此这类传感器的成本较高，其实际应用受到了限制。
实用新型内容
有鉴于此，为了解决现有技术中的上述问题，本实用新型提出一种基于氧化石墨烯迈克尔逊干涉仪的湿度传感器。
本实用新型通过以下技术手段解决上述问题：
一种基于氧化石墨烯迈克尔逊干涉仪的湿度传感器，包括依次连接的第一段单模光纤、多模光纤和第二段单模光纤；第一段单模光纤作为入射光纤和出射光纤，用于输入光信号和输出光信号，多模光纤作为分束器和合束器，分束器使得从入射光纤中进来的光信号经过分束器耦合到调制臂中，合束器使得从调制臂中进来的光信号经过合束器耦合到出射光纤中；第二段单模光纤作为调制臂用于形成传输波导以筛选不同的光波传输模式，第二段单模光纤末端切割平整，相当于迈克尔逊干涉仪中的反射镜，让光路原路返回。
进一步地，第二段单模光纤作为调制臂，第二段单模光纤的外包层都涂覆有氧化石墨烯薄膜，调制臂包括第一调制臂和第二调制臂，第一调制臂由第二段单模光纤中的包层组成，第二调制臂由第二段单模光纤中的纤芯组成；第一调制臂与第二调制臂长度相等。
进一步地，多模光纤作为分束器和合束器，长度为3mm。
进一步地，第二段单模光纤作为调制臂，长度为20mm。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果至少包括：
本实用新型是基于迈克尔逊干涉仪，通过调制两个干涉臂的相位差，可以改变干涉仪干涉波谷的波长和强度的变化，通过探测波谷波长和强度的变化，就可以反推出外界的变化。具体来说是对组成调制臂的单模光纤进行去涂覆层处理，并在处理之后的单模光纤表面涂覆氧化石墨烯薄膜，利用单模光纤包层与周围环境相互作用，即通过改变单模光纤包层部分的有效折射率，使得光波在单模光纤包层处传播模式发生变化，包层中的光波会于纤芯中的光波发生干涉，当包层中的光波模式发生变化，那么最后输出光也会发生变化，通过记录最终输出光波长和强度的变化，达到传感的目的。本实用新型基于氧化石墨烯迈克尔逊干涉仪的湿度传感器具有低成本、高灵敏度、高稳定性的特点。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本实用新型基于氧化石墨烯迈克尔逊干涉仪的湿度传感器的传感头结构示意图；
图2是本实用新型基于氧化石墨烯迈克尔逊干涉仪的湿度传感器传感器透射谱波谷强度随环境湿度的变化图；
图3是本实用新型基于氧化石墨烯迈克尔逊干涉仪的湿度传感器干涉光谱波谷波长偏移随相对湿度的变化图；
图4是本实用新型基于氧化石墨烯迈克尔逊干涉仪的湿度传感器干涉光谱波谷光的强度随相对湿度的变化图；
在附图中，各附图标记表示：1、入射光纤/出射光纤；2分束器/合束器； 31、氧化石墨烯薄膜；32、第一调制臂；33、第二调制臂。
具体实施方式
为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本实用新型的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
实施例
本实用新型提供一种基于氧化石墨烯迈克尔逊干涉仪的湿度传感器，如图1 所示，包括：
入射光纤/出射光纤1，入射光纤和出射光纤均由单模光纤构成，该光纤用以输入和输出光信号；入射光由单模光纤中的纤芯传输进来，出射光由单模光纤中的纤芯传输出去。
分束器/合束器2，均由多模光纤(105/125μm)组成，长度大约为3mm,作为分束器的作用是使从入射光纤中进来的光信号经过耦合到迈克尔逊结构中，作为合束器的作用是使迈克尔逊结构中光信号耦合回单模光纤中，并将光信号传输到检测设备中。分束器其输入端与入射光纤连接，输出端与调制臂连接，使得从入射光纤中进来的光信号经过分束器后进入到调制臂中；合束器输入端与调制臂连接，输出端与出射光纤连接。
调制臂由单模光纤构成，且包括第一调制臂32和第二调制臂33，以及第一调制臂32由单模光纤中的包层组成，第二调制臂33由单模光纤中的纤芯组成；第一调制臂32与第二调制臂33长度相等。即调制臂的纤芯和包层构成迈克尔逊干涉仪的两个干涉臂。
调制臂其输入端与分束器连接，其输出端与合束器连接，长度大约为20mm。用于形成传输波导，以筛选并传输不同的光传输模式。
作为一种优选的技术方案，调制臂的单模光纤的包层均涂覆有氧化石墨烯薄膜31，以实现对湿度传感更加的敏感。
反射镜由调制臂的单模光纤切割平整的末端构成，他让光路经过原路返回。
在湿度测量实验中，将所述光纤湿度传感头放入一个封闭的恒温恒湿箱内，湿度箱的温度保持在室温条件下，传感器一端连接光栅光谱仪，一端连接宽带光源。
本实施例的上述光纤湿度传感器中，由两段单模光纤中间连接一段多模光纤熔接而成。当光从单模光纤传播到多模光纤时，单模光纤的本征模式开始衍射，当光传输到单模光纤与多模光纤的界面上时，由于单模光纤与多模光纤的模场不匹配，将在多模光纤中激发出多模光纤本征模式，单模光纤纤芯中传播的主要模式为模式E(r,0)，模场分布表示为LPom，此时激发出的模式在弱导近似下为线性极化径向模LPon(n是整数)，模场分布表示为Fm(r)。当光波经长度为z的多模光纤时，模场分布表达式为：
光信号经入射光纤中传输到分束器中，一部分耦合到第一调制臂，另一部分耦合到第二调制臂当中。在传输距离L之后，由于第一调制臂与第二调制臂之间的传播常数不同，光波在两波导之间将发生相位延迟。单模光纤最后一端是一个切割平整的镜面，它的目的就是当光传输到末端的时候在这里发生菲涅尔反射，反射不改变光的性质只改变传播方向，他让传播的光沿单模光纤原路返回，最后，两部分光经过合束器到达出射光纤中时，干涉将发生在出射光纤的纤芯中。输出强度和相位差可表示如下：
I1和I2分别是核心模式和包层模式的光强度，I是输出强度；L是调制臂的长度，△neff是调制臂的芯层和包层之间的有效折射率差；λ是光的波长；φ是相位差，等式中的△φ等于(2k+1)π，k阶模式干涉输出谱的波谷波长可以表示为:
从等式(2)中知道输出强度是I1、I2和△neff的函数。此外，由等式(3)(4)当△neff变化时，透射谱波谷的波长也将发生偏移。
作为对湿度敏感的材料，氧化石墨烯是提高传感器灵敏度的重要部分。将水分子与氧化石墨烯结合可以改变单模光纤的包层模的有效折射率。随着相对湿度的增加，氧化石墨烯薄膜将吸收更多的水分子，吸收的水分子将填充氧化石墨烯层的切片，导致氧化石墨烯膜直接膨胀，随着湿度的增加，增加的水分子被吸附在氧化石墨烯膜的表面上，结果，氧化石墨烯膜的有效折射率将随着吸收的水分子的增加而减少。这可能降低单模光纤包层的有效折射率从而影响包层模和纤芯模的折射率差，进而让输出光信号的波长和强度有变化。
图1中涂覆在单模光纤表面的氧化石墨烯薄膜作为湿度敏感材料是传感器增敏的重要环节，水分子与氧化石墨烯的结合改变氧化石墨烯的有效折射率，因为氧化石墨烯涂覆在单模光纤的包层上面，当氧化石墨烯的折射率改变时，会让单模光纤的包层折射率发生改变，当单模光纤的包层折射率发上改变时，包层与纤芯的折射率差发生改变，从上面的公式我们可以知道，包层和纤芯折射绿差发生改变时会影响到输出光信号的波长和强度，从中我们可以看出氧化石墨烯对增强湿度敏感性的作用。
图2及图3所示，在实验室环境下，恒温恒湿箱中从湿度为30％增加到80％。很明显观察到干涉波形波谷的波长和强度变化，这是由于光从多模光纤耦合到单模光纤中，随着相对湿度的增加，水分子作用于氧化石墨烯薄膜使其有效折射率减小，氧化石墨烯涂覆在单模光纤的包层上，氧化石墨烯有效折射率减小会影响光纤的包层的折射率，当单模光纤包层模有效折射率减小，而单模光纤纤芯的折射率不变，那么他们的折射率差就会有变化，当包层和纤芯的折射率差发生变化就会影响输出光的波长和强度。为了获得传感器的敏感度，测量了波长在1582nm处共振谷波长和强度随相对湿度的变化，如图3和图4所示。其中，离散点表示的是波长和强度的变化，而实线则表示对应的线性拟合，拟合得到的方程分别为y＝-0.017x-0.523和y＝-0.094x-23.483。从图3和图4可以看出，共振谷波长和强度随相对湿度线性变化，线性灵敏度分别为0.017nm/RH％和 0.094dB/RH％，相应的线性相关性分别为99.6％和98.8％。
本实用新型是基于迈克尔逊干涉仪，通过调制两个干涉臂的相位差，可以改变干涉仪干涉波谷的波长和强度的变化，通过探测波谷波长和强度的变化，就可以反推出外界的变化。具体来说是对组成调制臂的单模光纤进行去涂覆层处理，并在处理之后的单模光纤表面涂覆氧化石墨烯薄膜，利用单模光纤包层与周围环境相互作用，即通过改变单模光纤包层部分的有效折射率，使得光波在单模光纤包层处传播模式发生变化，包层中的光波会于纤芯中的光波发生干涉，当包层中的光波模式发生变化，那么最后输出光也会发生变化，通过记录最终输出光波长和强度的变化，达到传感的目的。本实用新型基于氧化石墨烯迈克尔逊干涉仪的湿度传感器具有低成本、高灵敏度、高稳定性的特点。
以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (4)
1.一种基于氧化石墨烯迈克尔逊干涉仪的湿度传感器，其特征在于，包括第一段单模光纤、多模光纤和第二段单模光纤；第一段单模光纤与多模光纤连接，多模光纤与第二段单模光纤连接；第一段单模光纤作为入射光纤和出射光纤，用于输入光信号和输出光信号，多模光纤作为分束器和合束器，分束器使得从入射光纤中进来的光信号经过分束器耦合到调制臂中，合束器使得从调制臂中进来的光信号经过合束器耦合到出射光纤中；第二段单模光纤作为调制臂用于形成传输波导以筛选不同的光波传输模式，第二段单模光纤末端切割平整，相当于迈克尔逊干涉仪中的反射镜，让光路原路返回。
2.根据权利要求1所述的基于氧化石墨烯迈克尔逊干涉仪的湿度传感器，其特征在于，第二段单模光纤作为调制臂，第二段单模光纤的外包层都涂覆有氧化石墨烯薄膜，调制臂包括第一调制臂和第二调制臂，第一调制臂由第二段单模光纤中的包层组成，第二调制臂由第二段单模光纤中的纤芯组成；第一调制臂与第二调制臂长度相等。
3.根据权利要求1所述的基于氧化石墨烯迈克尔逊干涉仪的湿度传感器，其特征在于，多模光纤作为分束器和合束器，长度为3mm。
4.根据权利要求1所述的基于氧化石墨烯迈克尔逊干涉仪的湿度传感器，其特征在于，第二段单模光纤作为调制臂，长度为20mm。
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