[发明专利]一种基于石墨烯的干涉型光纤湿度传感器及其制作方法

说明书

本发明涉及一种基于石墨烯的干涉型光纤湿度传感器，包括：粘有金属圆柱的载玻片和两根单模光纤，两根单模光纤分别经过金属圆柱的两侧并相向弯曲，形成两个交叉耦合点，单模光纤的两端固定在载玻片上，所述单模光纤中部拉锥，锥腰区位于两个交叉耦合点之间，其中一根单模光纤的锥腰区覆盖还原氧化石墨烯膜层，以覆盖还原氧化石墨烯的单模光纤的两端分别作为输入端和输出端。本方案结构简单紧凑，制备容易，无需特殊种类的光纤相互熔接，因此成本低。本方案提出的光纤干涉结构同样也适用于其他种类气体的传感以及生物、化学传感。

技术领域

本发明涉及光纤湿度传感技术领域，特别是涉及一种基于石墨烯的干涉型光纤湿度传感器及其制作方法。

背景技术

光纤湿度传感器(OFHS)具有体积小，精度高，耐腐蚀，抗电磁干扰，能够放置于难以抵达的空间，可多路复用，可远距离传感等优势，受到人们普遍的关注。光纤湿度传感器可分为光吸收型、光纤光栅型、干涉型和谐振吸收型等若干种实现类型。光吸收型是基于光纤消逝波场与湿敏物质相互作用，湿敏物质对光的吸收响应环境湿度的变化，从而可以把光纤传输光的功率或光强作为传感参量。所用到的湿敏物质包括：琼脂糖胶[Sensors andActuators B:Chemical 69，127-131，2000]、掺杂酚红的PMMA[Sensors and Actuators B:Chemical 80，132-135，2001]、掺杂CoCl₂的聚合物薄膜[Sensors and Actuators B:Chemical 104，217-222，2005]、HEC/PVDF水凝胶[Sensors and Actuators A:Physical190，1-5，2013]和二硫化钨[Optics Express 24(8)，8956-8966，2016]等。光吸收型传感器的弱点在于对光功率的测量易受到光源功率起伏等因素的影响。光纤光栅是指在纤芯形成周期性的折射率调制而制成的一种光纤器件。若折射率调制的周期在亚微米(100nm-1μm)范围，称为布拉格光纤光栅(FBG)；若折射率调制的周期在100μm-1mm范围，称为长周期光纤光栅(LPG)。在光纤光栅区域覆盖湿敏材料，可以使得光纤光栅的反射峰波长能够响应环境湿度的变化，从而形成光纤光栅型湿度传感器。文献报道的布拉格光纤光栅湿度传感器所达到的最大灵敏度31pm/％RH是利用覆盖碳纳米管(CNT)的腐蚀包层的布拉格光纤光栅实现的[IEEE Sensors Journal 14(8)，2615-2619，2014]。利用长周期光纤光栅可以达到更大的灵敏度，水凝胶覆盖的长周期光纤光栅的灵敏度达到0.2nm/％RH[IEEE PhotonicsTechnology Letters19(12)，880-882，2007]，而CaCl₂覆盖的空气隙长周期光纤光栅在湿度传感中的灵敏度达到1.36nm/％RH[Optical Review 18(1)，93-95，2011]。光纤光栅型OFHS的主要缺点在于对温度、形变等的交叉敏感性。基于石墨烯的干涉型光纤湿度传感器又可以分为Fabry-Perot干涉(FPI)，Sagnac干涉，Mach-Zehnder干涉(MZI)，Michelson干涉(MI)等类型。利用湿敏材料膜层在光纤端面制做微小的谐振腔形成Fabry-Perot干涉仪，所制备的OFHS通常可以达到较高的灵敏度。在单模光纤的端面以全氟磺酸薄膜作为谐振腔，其湿度传感灵敏度达到3.5nm/％RH[Sensors and Actuators B:Chemical 196，99-105，2014]。利用不同种类光纤(拉锥或膨胀光纤，空心光纤，光子晶体光纤等)熔接起来，会造成光纤内不同传输模式之间的干涉，以湿敏材料调控干涉相位差，可以制成多种干涉型OFHS。将一段覆盖聚乙烯醇(PVA)而两端空气孔塌陷的光子晶体光纤熔接在单模光纤一端就构成Michelson干涉型OFHS，其传感灵敏度达到0.6nm/％RH[Sensors and Actuators B:Chemical 174，563-569，2012]。以琼脂糖覆盖两端空气孔塌陷的光子晶体光纤，两端再熔接单模光纤所构成的Mach-Zehnder干涉(MZI)型传感器在40％-80％湿度范围灵敏度可以达到0.57nm/％RH，在80％-95％范围甚至达到1.43nm/％RH[Applied Optics52(16)，3884-3890，2013]。一段覆盖聚乙烯醇的多模光纤两端熔接单模光纤并具有膨胀的熔接处，其湿度传感灵敏度达到0.223nm/％RH[IEEE Sensors Journal 14(8)，2683-2686，2014]。将光纤弯曲为U型，无需附加任何湿敏材料，即可形成干涉型OFHS，其灵敏度达到114.7pm/％RH[IEEE Sensors Journal 17(3)，644-649，2017]。当某些湿敏材料膜层的高阶传导模式与光纤中某种波长的传导模式的有效折射率相互匹配时，会对该波长消逝波场形成谐振吸收，从而可以制成谐振吸收型OFHS。以SnO₂覆盖的腐蚀包层的光纤上制成的谐振吸收型OFHS在湿度范围20％-90％内最大传感灵敏度可以达到1.9nm/％RH[Sensors andActuators B:Chemical 233，7-16，2016]。