[发明专利]被覆氧化还原石墨烯的悬挂芯光纤干涉型传感器

说明书

本发明提供的是一种被覆氧化还原石墨烯的悬挂芯光纤干涉型传感器。包括光源、两段单模光纤、一段悬挂芯光纤和探测器，所述悬挂芯光纤的包层有一个大尺寸空气孔、纤芯悬挂于所述大尺寸空气孔内壁，悬挂芯光纤的纤芯被氧化还原石墨烯薄膜包覆，两段单模光纤利用侧向错位偏移技术焊接在悬挂芯光纤的两端，通过调节错位焊接的位置使入射端单模光纤的能量耦合到悬挂芯光纤的纤芯中并激发不同阶的模式，在出射端单模光纤中则得到稳定的干涉。本发明的传感器制作简单，易于与单模光纤互联，器件集成度高，机械强度大，相比微纳光纤传感器，该传感通道不易被外界污染。该器件在温度监控与传感方面都将有广泛的应用。

技术领域

本发明涉及的是一种光纤传感器，特别是一种主要用于温度、气体浓度、湿度等传感测量的光纤传感器。

背景技术

光纤传感器结构简单、重量轻、尺寸小、轻巧柔软，用一根光纤可以测量结构上空间多点或者无限多自由度的参数，非常适于作为分布式传感元件埋入材料和结构内部或贴装在其表面实现多点监测；光纤传感器因其所具有的诸多优点而成为结构监测和光纤技术研究的热点问题。比如可以利用微纳光纤能传输多种模式以及拥有很强的倏逝场，利用模式间的干涉便可以对外界环境温度或者气体浓度等变化进行传感测量；也可以对单模或者其他特种光纤引入微孔结构，使纤芯模式与包层模式发生干涉，对外界环境的压强或者折射率等变化进行传感测量。而悬挂光纤传感器拥有较大的空气孔，纤芯裸露在空气中，容易对纤芯进行良好的化学修饰或者材料覆盖，从而能大大提高对温度、湿度等外界环境的灵敏度，相比于微纳光纤或者其他特殊结构光纤，其具有很好的机械强度，易于与其他器件耦合集成，且通道不易被污染，所以利用悬挂芯光纤作为传感元件的研究引起了人们的广泛关注。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以实现高灵敏温度或气体浓度、湿度等参量传感的被覆氧化还原石墨烯的悬挂芯光纤干涉型传感器。

本发明的目的是这样实现的：

包括光源、两段单模光纤、一段悬挂芯光纤和探测器，所述悬挂芯光纤的包层有一个大尺寸空气孔、纤芯悬挂于所述大尺寸空气孔内壁，悬挂芯光纤的纤芯被氧化还原石墨烯薄膜包覆，两段单模光纤利用侧向错位偏移技术焊接在悬挂芯光纤的两端，通过调节错位焊接的位置使入射端单模光纤的能量耦合到悬挂芯光纤的纤芯中并激发不同阶的模式，在出射端单模光纤中则得到稳定的干涉。

本发明还可以包括：

1、悬挂芯光纤的大尺寸空气孔的直径为50-80微米，纤芯为少模，纤芯直径8-10微米。

2、悬挂芯光纤的包层在空气孔一侧加工有微槽将纤芯裸露于外界。

3、纤芯的裸露部分进行表面化学修饰。

4、悬挂芯光纤的包层在空气孔一侧有通过CO₂激光器进行两次打孔构成的两个微孔，氧化还原石墨烯薄膜是使用微泵通过两个微孔注入氧化还原石墨烯悬浮液然后干燥在纤芯表面形成的氧化还原石墨烯薄膜。

本发明是用一种悬挂芯光纤基于马赫-泽德(M-Z)干涉机理实现对物理量的测量。利用侧向错位偏移技术对悬挂芯光纤两端和单模光纤直接进行焊接，使得单模光纤的光耦合到悬挂芯中并激发不同阶的模式，从而在出射端单模纤中发生相应的模式干涉。然后在悬挂芯上铺上氧化还原石墨烯，由于其具有很好的光热效应，温度变化时会引起石墨烯的有效折射率也会随着发生相应的改变即可以放大传感器的温度敏感度。

与现有技术相比，本发明的优点为：

1、悬挂芯光纤空气孔的隔离使裸露的纤芯表面不受破坏，不易被污染，表面光滑，器件插损小。与微纳光纤相比，器件的机械强度被大大提高。

2、氧化还原石墨烯的引入，其具有高的热光系数、饱和吸收特性等，传感器的灵敏度可被大大提高。