一種石墨烯被覆微光纖長周期光柵及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種光纖長周期光柵，尤其涉及一種石墨烯被覆微光纖長周期光柵及其制備方法。
【背景技術】
[0002]微納光纖是一種直徑接近或小于光波長尺度的光導纖維，相比于其他種類的納米線寬光波導，微納光纖具有易于制備、結構簡單、均勻度高、傳輸損耗低、物化性能穩定和機械強度高等特點，而且可以方便地與現有光纖系統耦合和集成，近年來受到越來越多的關注；由于其直徑在波長或亞波長量級，且其折射率與周圍介質折射率相差較大，具有光傳輸損耗低、光場約束能力強、異常波導色散、倏逝波傳輸和機械性能好等優點，使得微納光纖可以作為具有快響應、高靈敏度、低功耗的新型小型化光學傳感平臺。
[0003]微光纖光柵作為微納光纖的重要組成部分，和傳統光纖光柵一樣具有高集成、耐高溫、與外界強的相互作用等優點，成為實現具有高靈敏度、小型化、大的動態范圍以及快速響應傳感器的有效途徑，吸引了人們的廣泛關注。2005年，Liang等人利用化學腐蝕的方法得到了直徑為6 μπι硅微光纖在外部液體折射率為1.35的情況下，得到了 16nm/RIU的靈敏度。2010年，Fang等人利用飛秒激光脈沖制作了微光纖Bragg光柵，使用直徑為2 ym微Bragg光纖光柵進行了折射率的測量，在折射率為1.44的環境下，得到了最大為231.4 nm/RIU的靈敏度。同時，Zhang等人報到了 KrF準分子激光在光敏光纖上寫入了微光纖光柵，利用直徑為6 ym微Bragg光纖光柵在外部折射率為1.378條件下，得到了最大為102nm/RIU的靈敏度為。此后，Liu等人通過聚焦離子束刻蝕微光纖的側壁，得到了直徑為1.8 μ m、長度為518 μ m的微光纖Bragg光柵，在1550nm波段測得了 660 nm/RIU的折射率靈敏度。同時，Kou等人報到了利用離子束刻蝕的微光纖光柵，當溫度從室溫到500 ° C變化時，測量了溫度靈敏度為20 pm/° C。對于微光纖Bragg光柵的研宄目前主要集中于微光纖光柵的加工方法和實驗手段上，而理論研宄則很少報道。2013年，劉穎剛等人理論分析了反射波長對于環境折射率的響應特性。
[0004]為了增加光柵的靈敏性，可以在光纖光柵的外包層上鍍一層敏感薄膜來提高光柵的傳感特性。2004年，Geim等人報道了由碳原子構成的二維單層片狀結構石墨烯，由于其獨特的力學、熱學、電學、光學特性，激起了科學界的巨大波瀾，激發了人們高漲的研宄熱情，促進了物理、化學、信息、材料等眾多學科的發展。一系列基于石墨烯的光電子器件得到發展，如寬帶寬調制器、小型起偏器，鎖模光纖激光、光電互感器等。2013年，Wu等人首次報到了一種基于石墨烯涂覆的混合微光纖氣體傳感器，測得的丙酮揮發蒸汽的靈敏度為0.31dB/100 ppm。但是，這種混合微光纖是由兩種不同模式的光纖耦合而成，使得設備在傳感的過程中，容易受外界環境的影響。2014年，他們又報道了工作穩定的利用石墨烯鍍膜的微光纖Bragg光柵，分別測得了靈敏度高達0.2ppm、0.5ppm的氨氣氣體和二甲苯氣體，其靈敏度是未涂覆石墨烯微光纖Bragg光柵的數十倍。但是，石墨烯是由化學氣相沉積法(CVD)鍍膜而成，因此對實驗的條件和設備都具有嚴格的要求，而且由于微光纖Bragg光柵的一部分粘貼于MgF2襯底上，無法進行石墨烯鍍膜，限制了其對氣體分子的探測能力。
[0005]以上均為當前國內外的研宄現狀，目前微光纖光柵發展面臨的問題主要有:(1)微光纖光柵相關研宄目前主要集中于微光纖Bragg光柵，且研宄重點多集中于研制手段和方法上，相關理論報道很少；(2)微光纖長周期光柵(MLPG)的研宄目前處于起步實驗階段，僅有利用微光纖長周期光柵對溫度和折射率的相關報道，而對其他環境參量(如氣體、壓力、應力等)的傳感特性，還沒有相關成果報到；(3)對于石墨烯被覆微光纖長周期光柵的理論和實驗研宄，目前國內外尚沒有相關報道。
【發明內容】
[0006]為克服【背景技術】中的問題，本發明通過實驗研宄提供了一種石墨烯被覆微光纖長周期光柵，且公開了制備該新結構的石墨烯被覆微光纖長周期光柵的方法。
[0007]本發明揭示了一種石墨烯被覆微光纖長周期光柵，包括纖芯及包覆在所述纖芯外部的石墨烯涂覆層，所述纖芯為直徑達到微米量級的微光纖，其具有錐腰部分，且所述錐腰部分具有光柵周期長度大于70um，周期數大于5的長周期光柵。
[0008]一種石墨烯被覆微光纖長周期光柵的制備方法，具體包括如下步驟:
a、微光纖的制備:采用熔融拉錐法將經過涂覆層剝離干凈的標準單模光纖兩端通過光纖夾固定到步進電機上，并通過酒精燈對標準單模光纖中間位置進行加熱，光纖受熱軟化至熔融狀態，步進電機沿光纖反向軸均勻拉動光纖，通過調節酒精燈火焰強度及步進電機拉伸長度控制單模光纖錐腰直徑達到微米量級從而形成微光纖，同時移動步進電機控制微光纖的拉伸長度大于Icm ；
b、微光纖的檢測:將1550nm的激光從步驟a制備的微光纖的一端注入，另一端連接光功率計實時檢測光傳輸損耗，要求光傳輸損耗小于3dB ；
c、微光纖長周期光柵的制備:將步驟a中制備的微光纖兩端與標準單模光纖相連并通過光纖夾將兩端固定在位移平臺上，同時將微光纖的錐腰部分放置到柱面透鏡ZnSe的焦距處，通過CO2激光燒制光纖并在受熱位置發生殘余應力產生形變而使得光纖折射率發生變化形成光柵，利用計算機控制位移平臺的移動距離，從而制備出光柵周期長度大于70um，周期數大于5的微光纖長周期光柵；
d、微光纖長周期光柵的檢測:將1550nm的激光從步驟c制備的微光纖長周期光柵的一端注入，另一端連接光譜儀記錄長周期光柵透射光譜以及傳輸損耗；
e、石墨烯水分散液的制備:采用Hummers法制備氧化石墨，然后將氧化石墨烯還原以制備出石墨烯水分散液；
f、石墨烯被覆:將步驟e制備的石墨烯水分散液倒入分散容器中，將步驟c制備的微光纖長周期光柵的錐腰部分浸入石墨烯水分散液中，利用半導體激光器在光纖一端注入1550nm激光，并在另一端連接光功率計檢測通光損耗，利用熔錐光纖錐腰光倏逝場光誘導法沉積石墨烯溶液的原理使得石墨烯聚合物納米片層在微光纖的錐腰上沉積，實現石墨烯被覆，從而制備出石墨烯被覆微光纖長周期光柵。
[0009]與現有技術相比，本發明的一種石墨烯被覆微光纖長周期光柵的制備方法，制備出的石墨烯被覆微光纖長周期光柵為一種新結構，將石墨烯的優良光學性能，物理性能與微光纖長周期光柵的傳感特性進行結合，產生一種