[發明專利]基于氧化石墨烯增敏的光纖馬赫-曾德爾干涉濕度傳感器

在審

• 申請號: 202010048216.0
• 申請日: 2020-01-16
• 公開（公告）號: CN111077080A
• 公開（公告）日: 2020-04-28
• 發明（設計）人: 蒙紅云;范曉峰;譚春華;黃旭光
• 申請（專利權）人: 華南師范大學
• 主分類號: G01N21/01
• 分類號: G01N21/01;G01N21/45
• 代理公司: 廣州容大專利代理事務所(普通合伙) 44326
• 代理人: 潘素云

1.一種基于氧化石墨烯增敏的光纖馬赫-曾德爾干涉濕度傳感器，其特征在于：包括入射光纖(1)、分束器(2)、干涉臂(3)、合束(5)器和出射光纖(6)；干涉臂(3)包括第一干涉臂(31)和第二干涉臂(32)；入射光纖(1)的輸出端連接分束器(2)輸入端，分束器(2)的兩個輸出端一一對應連接第一干涉臂(31)和第二干涉臂(32)的輸入端，第一干涉臂(31)和第二干涉臂(32)的輸出端一一對應連接合束器(5)的兩個輸入端，合束器(5)的輸出端與出射光纖(6)的輸入端連接；入射光纖(1)用于輸入光信號，分束器(2)使得從入射光纖(1)中進來的光信號經過分束器(2)耦合到干涉臂(3)中，干涉臂(3)用于形成傳輸波導以篩選不同的光波傳輸模式，合束器(5)使得從干涉臂(3)中進來的光信號經過合束器(5)耦合到出射光纖(6)中，出射光纖(6)用于輸出光信號，并將光信號傳輸到外接的光譜儀中。

2.根據權利要求1所述的基于氧化石墨烯增敏的光纖馬赫-曾德爾干涉濕度傳感器，其特征在于：所述入射光纖(1)由單模光纖構成，輸入端連接外接的寬帶光源，將寬帶光源的輸出光由單模光纖中的纖芯傳輸進來。

3.根據權利要求1所述的基于氧化石墨烯增敏的光纖馬赫-曾德爾干涉濕度傳感器，其特征在于：所述的分束器(2)結構與合束器(5)結構相同，均由無芯光纖構成。

4.根據權利要求1所述的基于氧化石墨烯增敏的光纖馬赫-曾德爾干涉濕度傳感器，其特征在于：所述干涉臂(3)由少模光纖構成，包括第一干涉臂(31)和第二干涉臂(32)；其中，第一干涉臂(31)由少模光纖中的包層組成，第二干涉臂(32)由少模光纖中的纖芯組成；第一干涉臂與第二干涉臂長度相等。

5.根據權利要求4所述的基于氧化石墨烯增敏的光纖馬赫-曾德爾干涉濕度傳感器，其特征在于：少模光纖的部分包層經過氫氟酸溶液化學腐蝕厚度減小增加倏逝波泄漏，并在錐形光纖區域的光纖表面涂覆氧化石墨烯薄膜(4)。

6.根據權利要求1所述的基于氧化石墨烯增敏的光纖馬赫-曾德爾干涉濕度傳感器，其特征在于：所述出射光纖(6)由單模光纖構成，輸出端連接外接的光譜儀獲得含有傳感信息的干涉光譜。

7.根據權利要求1所述的基于氧化石墨烯增敏的光纖馬赫-曾德爾干涉濕度傳感器，其特征在于：所述分束器(2)為直徑125μm、長度10mm的無芯光纖；所述合束器(5)為直徑125μm、長度10mm的無芯光纖。

8.根據權利要求5所述的基于氧化石墨烯增敏的光纖馬赫-曾德爾干涉濕度傳感器，其特征在于：所述干涉臂(3)由長度為30mm、直徑125μm的少模光纖組成，所述干涉臂(3)少模光纖使用氫氟酸溶液腐蝕掉少模光纖的部分包層，處理后的少模光纖直徑為100μm。

9.根據權利要求5所述的基于氧化石墨烯增敏的光纖馬赫-曾德爾干涉濕度傳感器，其特征在于：傳感器輸出強度和相位差如下：

I_core和I_cladding分別是第一干涉臂31和第二干涉臂32中的光強度，I是輸出強度；L是干涉臂3的長度，Δn_eff是干涉臂3的芯層和包層之間的有效折射率差；λ是光的波長；是相位差，等式中的等于(2k+1)π，k階模式干涉輸出譜的波谷波長表示為:

從等式(3)中知道當Δn_eff變化時，透射譜波谷的波長將發生偏移。

10.根據權利要求5所述的基于氧化石墨烯增敏的光纖馬赫-曾德爾干涉濕度傳感器，其特征在于：氧化石墨烯薄膜的有效折射率對化學勢μ_c的變化敏感，電導率σ和氧化石墨烯的μ_c之間的關系通過以下等式計算：

其中e是電子的電荷，k_B是玻爾茲曼常數，T是環境溫度，而是普朗克常數，ω，Γ分別代表傳輸光圓頻率、散射率，j為虛單位；大量的電荷轉移將不可避免地導致氧化石墨烯的電導率的變化，進而導致氧化石墨烯本身的有效折射率的變化；緊密附著在光纖表面上的氧化石墨烯和光纖看作是混合波導，因此光纖的有效折射率會受到影響；一系列變化最終反映了光纖干涉光譜的可見實時的波長漂移。