[發明專利]一種石墨烯光纖傳感器及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 201810866326.0
• 申請日: 2018-08-01
• 公開（公告）號: CN108982414A
• 公開（公告）日: 2018-12-11
• 發明（設計）人: 黃國家;馮文林;楊波;李茂東;彭志清;尹宗杰;李悅
• 申請（專利權）人: 廣州特種承壓設備檢測研究院
• 主分類號: G01N21/41
• 分類號: G01N21/41;G01N21/01
• 代理公司: 廣州駿思知識產權代理有限公司 44425
• 代理人: 吳靜芝

本發明涉及一種石墨烯光纖傳感器及其制備方法和應用。所述石墨烯光纖傳感器包括一光子晶體光纖和兩單模光纖，光子晶體光纖的兩端分別與一單模光纖耦合，并在兩耦合點處分別形成一腰部擴大光纖粗錐；光子晶體光纖表面包覆有石墨烯層。所述制備方法包括：在銅箔上制備石墨烯和PMMA的復合膜；通過銅溶解法將復合膜轉移到光子晶體光纖的表面；去除轉移到光子晶體光纖表面的復合膜中的PMMA，再進行煅燒，獲得石墨烯光纖復合材料；通過光纖熔接機將石墨烯光纖復合材料的兩端分別與單模光纖耦合，并在兩耦合點處分別形成腰部擴大光纖粗錐，從而制得石墨烯光纖傳感器。其可以作為折射率傳感器，并有效地應用于如硫化氫氣體、蔗糖等物質的濃度檢測。

技術領域

本發明涉及傳感器技術領域，尤其涉及一種石墨烯光纖傳感器及其制備方法和應用。

背景技術

石墨烯作為一種新型的二維納米材料，是由單層碳原子排列成六方晶格的碳同素異形體，其具有強度高、幾乎透明、比表面積大、穩定性高等特點，可作為吸附材料。光子晶體光纖橫截面內部存在大量的微結構，使得可操作空間大，使得它在光通信、光器件和光傳感等各大領域中獲得了極為廣泛的應用，在光纖傳感領域應用最為突出，具有抗電磁干擾能力強、絕緣性高、可防燃防爆、靈活柔性撓曲、適于遠距離監測等的新型傳感技術，特別適宜惡劣和危險環境條件下的監測。馬赫-曾德爾干涉儀(Mach-Zehnder interferometer，MZI)可以廣泛用于測量應變、溫度和折射率，該器件的原理是光纖的纖芯模式和包層模式之間的干涉。現有的光纖傳感器的傳感物質為單純的光纖，其在用于物質濃度檢測時，靈敏度有待提高。迄今為止，石墨烯包覆的光纖并且具有腰部放大的雙錐芯作為Mach-Zehnder干涉折射率傳感器的研究工作還沒有報道，這種折射率傳感器可應用于濃度檢測。

發明內容

基于此，本發明的目的在于，提供一種石墨烯光纖傳感器，其可以作為折射率傳感器，并有效地應用于濃度檢測。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：一種石墨烯光纖傳感器，包括一光子晶體光纖和兩單模光纖，所述光子晶體光纖的兩端分別與一所述單模光纖耦合，并在兩耦合點處分別形成一腰部擴大光纖粗錐；所述光子晶體光纖表面包覆有石墨烯層。

相對于現有技術，本發明的傳感器基于石墨烯包覆光纖并且具有腰部擴大雙光纖粗錐結構作為干涉儀，通過光纖與石墨烯相結合，利用石墨烯的特殊結構對溶液中的分子具有吸附性，由此改變光纖的折射率，提高其靈敏度；利用腰部擴大雙光纖粗錐結構進行纖芯和包層模的耦合和復合，實現多模干涉。本發明的傳感器對于液體和氣體物質濃度檢測具有高線性響應和優異的靈敏度，且具有成本低、制作方法簡單、可重復性高的特點，可大量生產使用。

進一步地，所述兩耦合點之間的距離為3.9～4.1cm；所述腰部擴大光纖粗錐的腰長為395～405μm，腰徑為179～180μm。優選的，所述兩耦合點之間的距離為4cm；所述腰部擴大光纖粗錐的腰長為400μm，腰徑為179.25μm。

本發明還提供了一種石墨烯光纖傳感器的制備方法，包括以下步驟：

S1：在銅箔上制備石墨烯和聚甲基丙烯酸甲酯的復合膜；

S2：通過銅溶解法將所述復合膜轉移到光子晶體光纖的表面；

S3：去除轉移到所述光子晶體光纖表面的復合膜中的聚甲基丙烯酸甲酯，再進行煅燒，獲得石墨烯光纖復合材料；

S4：通過光纖熔接機將所述石墨烯光纖復合材料的兩端分別與單模光纖耦合，并在兩耦合點處分別形成腰部擴大光纖粗錐，從而制得石墨烯光纖傳感器。

進一步地，步驟S1中，先通過化學氣相沉積法在銅箔上生長石墨烯，然后在長有石墨烯的銅箔上旋涂聚甲基丙烯酸甲酯前驅液，經烘干得到所述復合膜。