[发明专利]一种基于石墨烯涂覆倾斜光纤光栅的液体折射率传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于石墨烯涂覆倾斜光纤光栅的液体折射率传感器，属于光纤传感器领域，特别涉及一种用于低折射率测量的光纤光栅传感器。

背景技术

倾斜光纤光栅是一种栅面与光纤轴向有一定夹角的特殊短周期光纤光栅。由于其栅面相对于光纤轴有一定倾斜，导致在光纤中前向传输的入射光除了一部分被耦合为满足布拉格条件的反向传输纤芯模外，还有另一部分被耦合为一系列反向传输的包层模。由于不同的模式特征对外界环境有不同的敏感性，并且包层模式的有效折射率极易受到环境折射率的影响，使得包层模式的谐振波长和耦合强度对环境折射率的变化非常敏感。

通常的倾斜光纤光栅液体折射率传感器，对周围环境折射率的感知范围较小，并且主要集中在与光纤包层折射率接近的高折射率区域(1.40～1.45)，而在低折射率区域(1.33～1.40)的感知能力较差。也就是说，对于环境监测、生命科学等领域中所关心的低折射率区域，尤其是大量物质分子所存在的水溶液，通常的倾斜光纤光栅具有较低的感知灵敏度。目前，提高倾斜光纤光栅对低折射率区域感知灵敏度的方法主要有：(1)增加倾斜光纤光栅的倾斜角度，使得包层模向短波长区域移动，然而，由于短波长的耦合强度较弱，这种栅面具有较大倾斜角度的光纤光栅在低折射率区域仍然难以达到在接近包层折射率时的灵敏度；(2)减小倾斜光纤光栅的包层或纤芯直径，通过增强其倏逝场强度，可在一定程度上扩展折射率的测量范围，但是，该方法仍不能从根本上改变倾斜光纤光栅对低折射率区域灵敏度低的情况，并且还容易受到外界环境温度的影响。因此，开发一种能够对低折射率区域敏感，且不受外界环境温度变化影响的倾斜光纤光栅液体折射率传感器，具有广泛的应用价值。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足，本发明提出一种基于石墨烯涂覆倾斜光纤光栅的液体折射率传感器，通过在倾斜光纤光栅表面涂覆石墨烯涂层，改变倾斜光纤光栅的倏逝场分布和对外界环境的敏感特性，最终实现一种在低折射率区域具有较高灵敏度，且不受环境温度影响的液体折射率传感器。

本发明的思想在于：通过将石墨烯材料涂覆在倾斜光纤光栅上，改变倾斜光纤光栅的倏逝场分布和透射光谱特征，当外界环境参数(如分子浓度，溶液折射率等)改变时，会导致石墨烯的复介电常数发生改变，由此引起光纤包层的有效折射率随之发生改变，从而导致倾斜光纤光栅的包层模谐振波长移动和耦合强度变化。通过提取和分析包层模谐振波长、耦合强度以及包层模上下包络归一化面积等光谱特征量，即可获得外界环境液体折射率的变化值。

技术方案

一种石墨烯涂覆倾斜光纤光栅的液体折射率传感器，其特征在于：由宽带光源1、单模光纤2、倾斜光纤光栅3、样品池5和光谱分析仪6组成；宽带光源1通过单模光纤2与倾斜光纤光栅3的一端连接，倾斜光纤光栅3的另一端通过单模光纤2与光谱分析仪6连接。倾斜光纤光栅3从样品池5的两壁小孔中穿过，并用结构胶将小孔密封，且保持倾斜光纤光栅的轴向位于水平面内。

所述倾斜光纤光栅的表面涂覆有多层石墨烯(典型值为5层)涂层，其厚度为2～5nm。

所述倾斜光纤光栅的栅面倾斜角度为4～10°，长度为5～15mm。

所述样品池为方形或圆柱形容器，其两个相对侧壁开有0.5mm的小孔，用于引入和引出倾斜光纤光栅。

所述样品池在液体原位测量中可以去掉，直接将含有石墨烯涂覆层的倾斜光纤光栅浸入待测液体中，不需要将液体取样注入样品池中。

本发明的工作原理是：宽带光源1发出宽带光信号，通过单模光纤2进入倾斜光纤光栅3，倾斜光纤光栅3穿过样品池5两侧壁，自倾斜光纤光栅3透射的光信号经单模光纤2进入光谱分析仪6。当在样品池5中注入不同折射率的液体时，采用光谱分析仪6监测倾斜光纤光栅3透射光信号的光谱特征变化。

有益效果

本发明提出的一种基于石墨烯涂覆倾斜光纤光栅的液体折射率传感器，将外界环境液体折射率的变化转化为光栅透射谱包层模归一化面积的变化等光谱特征，通过测量其光谱特征的变化实现对液体折射率变化的监测。通过石墨烯涂覆层对光纤包层模折射率的调制，扩大了该传感器对折射率的敏感区域，并且向低折射率区域移动，从而避免了采用裸倾斜光纤光栅测量液体折射率时，只对光纤包层折射率附近区域敏感而对低折射率区域不敏感的不足。此外，该传感器还具有灵敏度高、测量范围大、适合在低折射率区域的液体环境下进行直接的连续测量。

附图说明

图1是基于石墨烯涂覆倾斜光纤光栅的液体折射率传感器结构示意图。