[發(fā)明專利]基于石墨烯SPR長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810048451.0
• 申請(qǐng)日: 2018-01-18
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN108387552B
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-12-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 丁莉蕓;徐冰;肖武;何建宇;黃俊
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 武漢理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N21/41
• 分類號(hào): G01N21/41;G01N21/552;G01N21/01
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 許美紅

本發(fā)明公開(kāi)了一種基于石墨烯SPR長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器，包括輸入光纖，長(zhǎng)周期光纖光柵探頭和輸出光纖；輸入光纖與長(zhǎng)周期光柵探頭的一端連接，長(zhǎng)周期光柵探頭的另一端與輸出光纖連接；該長(zhǎng)周期光纖光柵探頭的柵區(qū)側(cè)面鍍有石墨烯層，石墨烯厚度為3?30nm。光經(jīng)輸入光纖進(jìn)入長(zhǎng)周期光纖光柵探頭中，激發(fā)柵區(qū)側(cè)面的石墨烯層產(chǎn)生表面等離子體共振現(xiàn)象。本發(fā)明的傳感器具有測(cè)量精度和靈敏度較高、穩(wěn)定性高以及無(wú)損檢測(cè)等特點(diǎn)，可以用于實(shí)時(shí)檢測(cè)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種表面等離子體共振(SPR)的長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器，特別涉及基于石墨烯(graphene)表面等離子體共振的長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器。

背景技術(shù)

表面等離子體共振(SPR：Surface Plasmon Resonance)是一種物理光學(xué)現(xiàn)象，能通過(guò)衰減全反射進(jìn)行觀測(cè)，電磁波(光波)產(chǎn)生表面等離子體共振時(shí)將破壞全反射的條件，導(dǎo)致反射光能量急劇下降，在反射譜上出現(xiàn)共振峰。基于表面等離子體共振原理的傳感器主要有棱鏡型SPR傳感器、光纖型SPR傳感器和光纖光柵型SPR傳感器。相對(duì)于棱鏡型SPR傳感器而言，光纖型SPR傳感器中光纖既可以作為光的傳輸介質(zhì)又能作為激發(fā)SPR效應(yīng)的基體，巧妙的將光纖的優(yōu)點(diǎn)與SPR效應(yīng)結(jié)合在一起構(gòu)成光纖SPR傳感器；但是傳統(tǒng)光纖SPR傳感器存在相位匹配的難題，一些研究者嘗試了在光纖纖芯中引入周期性的折射率調(diào)制，即通過(guò)寫(xiě)入光纖光柵來(lái)更高效率地激發(fā)表面等離子體并使其滿足相位匹配條件

1987年，Tiefenthaler等人提出了將衍射光柵作為光波耦合元件的SPR傳感器；Homola等人分析比較了光柵耦合法和棱鏡耦合法的靈敏度，采用曲面衍射光柵耦合法則可提供很高的信噪比，獲得很高的靈敏度；1997年Nikitin等人開(kāi)發(fā)了基于肖特基結(jié)構(gòu)的衍射光柵型SPR傳感器，利用微電子加工技術(shù)在硅片上鍍上一層40nm金膜將SPR效應(yīng)轉(zhuǎn)成電信號(hào)輸出，同時(shí)用光譜分析儀器檢測(cè)表面增強(qiáng)拉曼散射，利用得到的電壓——角度曲線和拉曼譜線兩類數(shù)據(jù)，相互補(bǔ)充，用于反應(yīng)機(jī)理和反應(yīng)過(guò)程分析。現(xiàn)有的研究大都以金屬膜(金、銀)作為提供SPR效應(yīng)的主體，但由于金膜比表面積較小，在生物檢測(cè)時(shí)，表面固定分子數(shù)較少導(dǎo)致基于金膜的SPR傳感器靈敏度較低，而銀膜SPR傳感器又容易被氧化，因此為了制備一種穩(wěn)定高敏的SPR傳感器具有巨大的意義。

石墨烯是單層碳原子以sp2雜化軌道緊密堆積成的二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)材料，具有獨(dú)特的零帶隙能帶結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的機(jī)械性能、超高的熱導(dǎo)率、極大的比表面積、超寬帶的光學(xué)響應(yīng)譜及極強(qiáng)的非線性光學(xué)特性，使其在新型光學(xué)和光電傳感領(lǐng)域具有顯著的優(yōu)勢(shì)。相對(duì)于普通的金屬SPR長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器，基于石墨烯的SPR長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器具有以下幾個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)：(1)石墨烯具有非常高的表面-體積比率，使其對(duì)周圍環(huán)境十分敏感，并可以吸附多種粒子，包括氣體分子、重金屬離子、有機(jī)染料、蛋白質(zhì)等；相對(duì)于金鍍層來(lái)說(shuō)對(duì)能更加有效地固定生物分子。(2)石墨烯可增加有機(jī)物質(zhì)和生物大分子的固定量，這些分子的碳基環(huán)結(jié)構(gòu)可與石墨烯的六元環(huán)單位形成π堆積鍵。(3)通過(guò)控制石墨烯在金屬鍍層上的層數(shù)，可以調(diào)控SPR信號(hào)和SPR測(cè)量的靈敏度。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對(duì)技術(shù)背景中的問(wèn)題，提出了一種結(jié)合石墨烯和光纖光柵表面等離子體共振傳感的技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種基于石墨烯SPR長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器，該制作方法能確保光纖光柵SPR傳感器的測(cè)量精度、靈敏度和穩(wěn)定性。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：

提供一種基于石墨烯SPR長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器，包括輸入光纖，長(zhǎng)周期光纖光柵探頭和輸出光纖；輸入光纖與長(zhǎng)周期光柵探頭的一端連接，長(zhǎng)周期光柵探頭的另一端與輸出光纖連接；

該長(zhǎng)周期光纖光柵探頭的柵區(qū)側(cè)面鍍有石墨烯層，石墨烯厚度為3-30nm。

光經(jīng)輸入光纖進(jìn)入長(zhǎng)周期光纖光柵探頭中，激發(fā)柵區(qū)側(cè)面的石墨烯層產(chǎn)生表面等離子體共振現(xiàn)象。

接上述技術(shù)方案，輸入光纖和輸出光纖為單模傳導(dǎo)光纖。