[實用新型]基于氧化石墨烯薄膜和偏振相關性的光纖濕度傳感器

有效

• 申請號: 201620040456.5
• 申請日: 2016-01-13
• 公開（公告）號: CN205317655U
• 公開（公告）日: 2016-06-15
• 發明（設計）人: 王友清;沈常宇;樓偉民;申屠鋒營;包立峰
• 申請（專利權）人: 中國計量學院
• 主分類號: G01N21/21
• 分類號: G01N21/21
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本實用新型提出了一種基于氧化石墨烯薄膜和偏振相關性的光纖濕度傳感器，屬于光纖 傳感技術領域。

背景技術

石墨烯是一種新型的二維碳材料，具有比表面積大、導熱系數高、機械強度大等優良性 能。氧化石墨烯屬于石墨烯最重要的衍生物，它在保留著石墨烯眾多特性的同時，其表面豐 富的含氧官能團使得其有著良好的親水特性，可以穩定的分散于水溶液或者乙醇溶液中。由 于氧化石墨烯表面及邊緣存在著大量的含氧極性官能團，因此該材料具有良好的吸濕性。將 光纖傳感結構浸入氧化石墨烯分散液中，同時在該光纖傳感結構中輸入一定功率的連續激光， 利用該激光在傳感結構處產生的熱量以及光壓效應，可以在光纖傳感器側表面均勻鍍上氧化 石墨烯薄膜。利用該薄膜吸濕膨脹和干燥消溶脹的特性，可制成光纖濕度傳感器。

馬赫-曾德爾干涉型光纖傳感器通過采用干涉測量法產生相位調制以便獲得較高的靈敏 度和分辨率，該原理也被廣泛應用于各種光纖傳感器中來監測各類待測量，其發展前景相當 廣闊。由于外界環境的變化會在很大程度上影響光纖中光偏振情況，利用光纖的雙折射和偏 振相關損耗等偏振現象制作而成的光纖傳感器，其應用前景也相當廣闊。高靈敏度的馬赫- 曾德爾光纖傳感儀結合光纖的偏振敏感性，傳感器的靈敏度將會得到進一步的提升。

發明內容

本實用新型的目的在于提供一種基于氧化石墨烯薄膜和偏振相關性的光纖濕度傳感器， 通過將一定功率的連續激光輸入到馬赫-曾德爾光纖干涉儀中，利用激光在傳感結構處產生的 熱量以及光壓效應，可以在傳感結構的側表面均勻鍍上氧化石墨烯薄膜。該薄膜具有吸濕膨 脹和干燥消溶脹的特性，相應的薄膜折射率也會發生變化。在馬赫-曾德爾干涉型光纖傳感器 中加入偏振保持光纖，利用偏振保持光纖的雙折射和偏振相關損耗等偏振現象，可以極大的 提高該新型傳感器的靈敏度和分辨率。

本實用新型通過以下技術方案實現：

本實用新型提供了一種基于氧化石墨烯薄膜和偏振相關性的光纖濕度傳感器，其特征在 于：由寬帶光源(1)、偏振控制器(2)、光纖腰錐放大(3)、偏振保持光纖(4)、氧化石墨 烯薄膜(5)、光纖錯位(6)、單模光纖(7)和光譜分析儀(8)組成；光纖腰錐放大(3)、偏 振保持光纖(4)和光纖錯位(6)構成了馬赫-曾德爾光纖干涉儀；通過將一定功率的連續激 光輸入到馬赫-曾德爾光纖干涉儀中，利用激光在偏振保持光纖(4)處產生的熱量以及光壓 效應，可以在偏振保持光纖(4)側表面均勻鍍上氧化石墨烯薄膜(5)；偏振控制器(2)用 于控制入射光的偏振態；偏振控制器(2)左端與寬帶光源(1)連接，右端與光纖腰錐放大 (3)連接，光纖腰錐放大(3)右端與偏振保持光纖(4)左端連接，偏振保持光纖(4)右 端與單模光纖(7)左端錯位熔接形成光纖錯位(6)，單模光纖(7)右端與光譜分析儀(8) 連接。

所述的基于氧化石墨烯薄膜和偏振相關性的光纖濕度傳感器，其特征在于：光纖腰錐放 大(3)由單模光纖制作而成，長度為150～320μm，直徑為150～200μm。

所述的基于氧化石墨烯薄膜和偏振相關性的光纖濕度傳感器，其特征在于：偏振保持光 纖(4)的型號為熊貓型，長度為10～30mm。

所述的基于氧化石墨烯薄膜和偏振相關性的光纖濕度傳感器，其特征在于：偏振保持光 纖(4)和單模光纖(7)錯位熔接形成了光纖錯位(6)，光纖錯位(6)的徑向錯位距離保持 在4～6μm。

所述的基于氧化石墨烯薄膜和偏振相關性的光纖濕度傳感器，其特征在于：氧化石墨烯 薄膜(5)作為濕度敏感膜，厚度為0.5～2μm。

本實用新型的工作原理是：

入射光在經過光纖腰錐放大(3)時，部分在光纖纖芯中傳播的光會被耦合到光纖包層中， 激發出在包層中傳播的大量包層模，剩余的光將作為纖芯模繼續沿纖芯向前傳播；光纖錯位 (6)可以將包層中傳播的部分包層模重新耦合到單模光纖(7)纖芯中，從而與纖芯模形成 馬赫-曾德爾干涉。包層模和纖芯模的相位差會隨外界環境的變化而變化，相位差變化可以表 示為：