[发明专利]一种石墨烯膜光纤法珀谐振器及其激振/拾振检测方法

说明书

本发明公开了一种石墨烯膜光纤法珀谐振器及其激振/拾振检测方法。该谐振器基于石墨烯膜和光纤法珀干涉光学原理制成，以石墨烯膜为谐振材料，利用光纤传导激光实现薄膜激振与拾振。所述的激振方法，利用光强调制的激光周期性照射石墨烯膜，石墨烯膜吸收光能并转换为机械能，产生受迫振动，实现石墨烯膜谐振器的激振。所述的拾振方法，基于法珀干涉原理，对采集的干涉信号进行解调，获取干涉光信号的频率变化信息，实现与该频率量相关的被测量检测。该谐振器具有制作简单、高灵敏度、体积小、功耗低、准数字信号输出、在线测量、抗电磁干扰等优点，可进行压力、温度、湿度等物理量以及气体量、生物量等参数检测，并应用于航空航天、生物医学、工业控制等领域。

技术领域

本发明涉及光纤干涉型谐振器及光纤传感的技术领域，尤其涉及一种石墨烯膜光纤法珀谐振器及其光纤干涉激振/拾振检测方法。

背景技术

谐振式微机械传感器除具有普通微传感器的优点外，还具有准数字信号输出、抗干扰能力强、分辨力和测量精度高的优点。因此，性能稳定可靠、精度高，直接输出频率量的谐振式微结构传感器是当今微机械传感器研究的重点，近年来国内外对谐振式微机械压力传感器的研究多集中于硅膜。自2004年英国曼彻斯特大学K.S.Novoselov等人发现石墨烯以来，围绕该材料的机械、光学、电学与热学等性能的研究受到人们密切关注，为传统微机械谐振器因材料限制遇到的瓶颈问题带来了新的突破，从而明显提高谐振频率和品质因数。

石墨烯是目前已知最薄的材料，其单层厚度仅为0.335nm(参见：Novoselov K S,Geim A K,Morozov S V,et al.Electric field effect in atomically thin carbonfilms[J].Science,2004,306(5696):666-669.)，也是最强韧的材料，断裂强度比最好的钢材还要高200倍。同时它又有很好的弹性，拉伸幅度能达到自身尺寸的20％。目前，通常采用硅微加工方法制作石墨烯微谐振器。例如，2007年J.Scott Bunch等人首次将石墨烯膜应用于机械谐振器(参见：J Scott B,Zande A M V D,Verbridge S S,etal.Electromechanical resonators from graphene sheets[J].Science,2007,315(5811):490-493.)，在设有凹槽的SiO₂上两端固支石墨烯，用电驱动使其振动，采用空间光学装置拾取其机械振动；2010年美国A.M.van der Zande等人利用CVD方法制作了两边固支和四边固支的石墨烯谐振器(参见：Am V D Z,Barton R A,Alden J S,et al.Large-scalearrays of single-layer graphene resonators[J].Nano Letters,2010,10(12):4869-4873.)，实验结果表明，四边固支的正方形谐振器可获得两倍于基频的高阶共振膜，且比两边固支具有更高的品质因数；2013年韩国J.W.Kang等人利用分子动力学方法对石墨烯膜谐振器进行了仿真分析(参见：Kang J W,Kim H W,Kim K S,et al.Molecular dynamicsmodeling and simulation of a graphene-based nanoelectromechanical resonator[J].Current Applied Physics,2013,13(4):789-794.)，结果表明，谐振器的基频和作用在两边的平均张力密切相关，初始应变引起的张力可通过石墨烯的负热膨胀系数和基底的正热膨胀系数进行调整。2014年加拿大M.A.N.Dewapriya等人利用分子动力学仿真研究了温度以及边缘效应对石墨烯膜谐振特性的影响(参见：Dewapriya M A N,Phani AS,Rajapakse R K N D.Influence of temperature and free edges on the mechanicalproperties of graphene[J].Modelling&Simulation in Materials Science&Engineering,2013,21(6):2848-2855.)。总之，相关研究表明，国内外将新型材料石墨烯膜用于谐振器的研究尚处于理论仿真与特性实验阶段，所采用的谐振器加工制作难度大、工艺设备要求高，且多基于电学激振/拾振方法。因此，本发明基于以石墨烯膜为敏感材料的谐振器，利用石墨烯超薄的厚度和良好的机械力学特性，引入光纤干涉方法，提出了一种石墨烯膜光纤FP谐振器及其激振/拾振检测方法，具有制作简单、高灵敏度、体积小、功耗低、准数字信号输出、抗电磁干扰等优点。