[發明專利]一種基于石墨烯薄膜的錐形光纖傳感器

在審

• 申請號: 201410087958.9
• 申請日: 2014-03-11
• 公開（公告）號: CN103868887A
• 公開（公告）日: 2014-06-18
• 發明（設計）人: 黃昱;魏東山;吳迪;杜春雷;崔洪亮;常天英;張洪
• 申請（專利權）人: 中國科學院重慶綠色智能技術研究院
• 主分類號: G01N21/41
• 分類號: G01N21/41
• 代理公司: 成都賽恩斯知識產權代理事務所(普通合伙) 51212
• 代理人: 高利丹

技術領域

本發明涉及一種增敏的錐形光纖傳感器，具體涉及一種基于石墨烯薄膜的錐形光纖傳感器，屬于光纖傳感技術領域。

背景技術

光纖傳感技術是一種高靈敏、實時、可遠距離分析的微量分析技術，具有體積小、成本低、抗電磁干擾、抗震及信息傳輸容量大等特點，在水質監測、醫療衛生、生物化學和軍工等領域具有廣闊應用潛力和發展前景。

表面等離子體共振（SPR）是金屬表面自由電子同入射光光子互相耦合形成的局域電磁模式。當金屬表面的自由電子在入射光場的激勵下，與入射光的光子集體振蕩，在金屬表面產生了表面等離子體波。

通常的表面等離子體共振傳感器采用棱鏡作為光波導耦合器件激發表面等離子體共振波。金膜是表面等離子體共振傳感器上最常用的金屬膜。但是，棱鏡體積大，結構復雜而龐大，操作不夠靈活。為了提高表面等離子體共振傳感器性能，光纖被運用來取代棱鏡，激發表面等離子體共振波，構成光纖SPR傳感器。透出纖芯的倏逝波能與其周圍物質產生互相作用，周圍物質吸收纖芯表面的倏逝波，光纖內部的能量隨之衰減。通過分析光纖接收端光的變化，就可以對倏逝場區域的不同介質特征做出判斷，推算周圍物質的濃度。通常而言，光纖SPR傳感器中的纖芯形狀，未經處理時是圓柱形，逝場的穿透深度和穿透能量是有限的。這種光纖SPR傳感器的檢測靈敏度還有待進一步提高。

發明內容

針對現有光纖SPR傳感器結構復雜、體積龐大、靈敏度不足的問題，本發明提出了一種基于石墨烯薄膜的錐形光纖傳感器。對光纖纖芯進行研磨處理為錐形，改變光纖縱向折射率分布，使倏逝場的穿透深度和穿透能量加大；再將錐形光纖與功能型石墨烯薄膜材料結合，利用石墨烯薄膜與倏逝波的互相作用來提高檢測靈敏度，具有結構簡單、體積小的特點，且具有高靈敏度，能夠滿足不同領域對光信號的在線分析、實時分析和活體分析等工作要求，實現了光纖傳感器檢測靈敏度的提高。

本發明所述的一種基于石墨烯薄膜的錐形光纖傳感器是一種高靈敏的光纖傳感器，包括接頭、光纖段和加工段，光纖段和接頭連接，光纖段為圓柱形，加工段為錐形，加工段由內至外依次包括加工段纖芯、貴金屬膜和石墨烯薄膜；加工段纖芯的頂端有頂端貴金屬膜。

所述貴金屬膜和頂端貴金屬膜的材料優選金。

加工段纖芯和光纖段的纖芯為一體式纖芯。

所述光纖段纖芯和加工段纖芯均優選自多模光纖。

所述加工段纖芯的錐底直徑為400-600微米，加工段纖芯的錐體長度為5-50毫米，其錐形角度0<θ≤7°。

所述貴金屬膜的厚度為10-20納米；所述頂端貴金屬膜的厚度為200納米。

所述石墨烯薄膜的厚度為1-10個石墨烯原子層。

所述接頭優選SMA系列連接器。

本發明將圓柱形光纖，如多模光纖的一端，選取5-50毫米長研磨成錐形，其余部分為原光纖；在錐形光纖纖芯錐面鍍上10-20納米厚的貴金屬膜，在錐形光纖纖芯頂端鍍上200納米厚的貴金屬膜，貴金屬膜可以通過磁控濺射等方式制備；再在錐形光纖纖芯錐面的貴金屬膜表面通過化學氣相沉積法等方法沉積或生長1-10個原子層厚度的石墨烯薄膜，形成一種光纖SPR傳感結構。錐形光纖纖芯表面具有極強的倏逝波，倏逝波能與其周圍物質產生互相作用。貴金屬膜具有良好的SPR效應，而石墨烯薄膜具有非常好的強度和極好的透光性，在此結構中它作為貴金屬膜的保護層和靈敏度增強層。

本發明的基于石墨烯薄膜的錐形光纖傳感結構相比于普通的光纖SPR傳感器具有更高的傳感靈敏度與化學穩定性，能夠實時監測，其結構緊湊，廣泛應用物理、化學、生物、醫療、食品安全等領域。

附圖說明

圖1是本發明的結構示意圖。

圖2是應用本發明的基于石墨烯薄膜的光纖傳感器的實驗系統圖。

附圖中的數字標記分別是：

1：接頭；????????????2：光纖段；??????????3：加工段；

31：加工段纖芯；?????32:?貴金屬膜；???????33：石墨烯薄膜；

34：頂端貴金屬膜；???35：錐形角度θ；?????41：寬帶白光光源；

42：光纖光譜儀；?????43：基于石墨烯薄膜的?44：生物化學介質；

???????????????????????錐形光纖傳感器；

45a：Y型光纖耦合器；?45b：Y型光纖耦合器；?45c：Y型光纖耦合器。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的具體實施方式進行詳細說明。