[发明专利]一种石墨烯被覆微光纤长周期光栅及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种光纤长周期光栅，尤其涉及一种石墨烯被覆微光纤长周期光栅及其制备方法。

背景技术

微纳光纤是一种直径接近或小于光波长尺度的光导纤维，相比于其他种类的纳米线宽光波导，微纳光纤具有易于制备、结构简单、均匀度高、传输损耗低、物化性能稳定和机械强度高等特点，而且可以方便地与现有光纤系统耦合和集成，近年来受到越来越多的关注；由于其直径在波长或亚波长量级，且其折射率与周围介质折射率相差较大，具有光传输损耗低、光场约束能力强、异常波导色散、倏逝波传输和机械性能好等优点，使得微纳光纤可以作为具有快响应、高灵敏度、低功耗的新型小型化光学传感平台。

微光纤光栅作为微纳光纤的重要组成部分，和传统光纤光栅一样具有高集成、耐高温、与外界强的相互作用等优点，成为实现具有高灵敏度、小型化、大的动态范围以及快速响应传感器的有效途径，吸引了人们的广泛关注。2005年, Liang 等人利用化学腐蚀的方法得到了直径为6μm硅微光纤在外部液体折射率为1.35的情况下，得到了16nm/RIU的灵敏度。2010年，Fang等人利用飞秒激光脉冲制作了微光纤Bragg光栅，使用直径为2 μm微Bragg光纤光栅进行了折射率的测量，在折射率为1.44的环境下，得到了最大为231.4 nm/RIU的灵敏度。同时，Zhang等人报到了KrF准分子激光在光敏光纤上写入了微光纤光栅，利用直径为6 μm微Bragg光纤光栅在外部折射率为1.378条件下，得到了最大为102nm/RIU的灵敏度为。此后，Liu等人通过聚焦离子束刻蚀微光纤的侧壁，得到了直径为1.8μm、长度为518μm的微光纤Bragg光栅，在1550nm波段测得了660 nm/RIU的折射率灵敏度。同时，Kou等人报到了利用离子束刻蚀的微光纤光栅，当温度从室温到500 °C变化时，测量了温度灵敏度为20 pm/°C。对于微光纤Bragg光栅的研究目前主要集中于微光纤光栅的加工方法和实验手段上，而理论研究则很少报道。2013年，刘颖刚等人理论分析了反射波长对于环境折射率的响应特性。

为了增加光栅的灵敏性，可以在光纤光栅的外包层上镀一层敏感薄膜来提高光栅的传感特性。2004年，Geim等人报道了由碳原子构成的二维单层片状结构石墨烯，由于其独特的力学、热学、电学、光学特性，激起了科学界的巨大波澜，激发了人们高涨的研究热情，促进了物理、化学、信息、材料等众多学科的发展。一系列基于石墨烯的光电子器件得到发展，如宽带宽调制器、小型起偏器，锁模光纤激光、光电互感器等。2013年，Wu等人首次报到了一种基于石墨烯涂覆的混合微光纤气体传感器，测得的丙酮挥发蒸汽的灵敏度为0.31 dB/100 ppm。但是，这种混合微光纤是由两种不同模式的光纤耦合而成，使得设备在传感的过程中，容易受外界环境的影响。2014年，他们又报道了工作稳定的利用石墨烯镀膜的微光纤Bragg光栅，分别测得了灵敏度高达0.2ppm、0.5ppm的氨气气体和二甲苯气体，其灵敏度是未涂覆石墨烯微光纤Bragg光栅的数十倍。但是，石墨烯是由化学气相沉积法(CVD)镀膜而成，因此对实验的条件和设备都具有严格的要求，而且由于微光纤Bragg光栅的一部分粘贴于MgF₂衬底上，无法进行石墨烯镀膜，限制了其对气体分子的探测能力。

以上均为当前国内外的研究现状，目前微光纤光栅发展面临的问题主要有：(1) 微光纤光栅相关研究目前主要集中于微光纤Bragg光栅，且研究重点多集中于研制手段和方法上，相关理论报道很少；(2) 微光纤长周期光栅（MLPG）的研究目前处于起步实验阶段，仅有利用微光纤长周期光栅对温度和折射率的相关报道，而对其他环境参量（如气体、压力、应力等）的传感特性，还没有相关成果报到；(3) 对于石墨烯被覆微光纤长周期光栅的理论和实验研究，目前国内外尚没有相关报道。

发明内容

为克服背景技术中的问题，本发明通过实验研究提供了一种石墨烯被覆微光纤长周期光栅，且公开了制备该新结构的石墨烯被覆微光纤长周期光栅的方法。

本发明揭示了一种石墨烯被覆微光纤长周期光栅，包括纤芯及包覆在所述纤芯外部的石墨烯涂覆层，所述纤芯为直径达到微米量级的微光纤，其具有锥腰部分，且所述锥腰部分具有光栅周期长度大于70um，周期数大于5的长周期光栅。

一种石墨烯被覆微光纤长周期光栅的制备方法，具体包括如下步骤：