一種基于石墨烯薄膜的錐形光纖傳感器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于石墨烯薄膜的錐形光纖傳感器，所述光纖傳感器包括接頭、光纖段和加工段，加工段由內至外依次包括加工段纖芯、貴金屬膜和石墨烯薄膜；加工段纖芯的頂端有頂端貴金屬膜。該光纖傳感器利用貴金屬薄膜和石墨烯薄膜的表面等離子體共振的原理，并配合具有錐形形狀的纖芯來增強傳感信號，且通過對所述錐形形狀的纖芯的錐形角度調整、貴金屬薄膜和石墨烯薄膜的厚度控制，可實現對所述光纖傳感器的光譜的調整。本發明公開的基于石墨烯薄膜的錐形光纖傳感器結構簡單、體積小、靈敏度高，能夠在生物、化學、醫學等領域對微量氣體、液體、化學元素、DNA的在線檢測和實時分析。
【專利說明】一種基于石墨烯薄膜的錐形光纖傳感器
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種增敏的錐形光纖傳感器，具體涉及一種基于石墨烯薄膜的錐形光纖傳感器，屬于光纖傳感【技術領域】。
【背景技術】
[0002]光纖傳感技術是一種高靈敏、實時、可遠距離分析的微量分析技術，具有體積小、成本低、抗電磁干擾、抗震及信息傳輸容量大等特點，在水質監測、醫療衛生、生物化學和軍工等領域具有廣闊應用潛力和發展前景。
[0003]表面等離子體共振(SPR)是金屬表面自由電子同入射光光子互相耦合形成的局域電磁模式。當金屬表面的自由電子在入射光場的激勵下，與入射光的光子集體振蕩，在金屬表面產生了表面等離子體波。
[0004]通常的表面等離子體共振傳感器采用棱鏡作為光波導耦合器件激發表面等離子體共振波。金膜是表面等離子體共振傳感器上最常用的金屬膜。但是，棱鏡體積大，結構復雜而龐大，操作不夠靈活。為了提高表面等離子體共振傳感器性能，光纖被運用來取代棱鏡，激發表面等離子體共振波，構成光纖SPR傳感器。透出纖芯的倏逝波能與其周圍物質產生互相作用，周圍物質吸收纖芯表面的倏逝波，光纖內部的能量隨之衰減。通過分析光纖接收端光的變化，就可以對倏逝場區域的不同介質特征做出判斷，推算周圍物質的濃度。通常而言，光纖SPR傳感器中的纖芯形狀，未經處理時是圓柱形，逝場的穿透深度和穿透能量是有限的。這種光纖SPR傳感器的檢測靈敏度還有待進一步提聞。
【發明內容】
[0005]針對現有光纖SPR傳感器結構復雜、體積龐大、靈敏度不足的問題，本發明提出了一種基于石墨烯薄膜的錐形光纖傳感器。對光纖纖芯進行研磨處理為錐形，改變光纖縱向折射率分布，使倏逝場的穿透深度和穿透能量加大；再將錐形光纖與功能型石墨烯薄膜材料結合，利用石墨烯薄膜與倏逝波的互相作用來提高檢測靈敏度，具有結構簡單、體積小的特點，且具有高靈敏度，能夠滿足不同領域對光信號的在線分析、實時分析和活體分析等工作要求，實現了光纖傳感器檢測靈敏度的提高。
[0006]本發明所述的一種基于石墨烯薄膜的錐形光纖傳感器是一種高靈敏的光纖傳感器，包括接頭、光纖段和加工段，光纖段和接頭連接，光纖段為圓柱形，加工段為錐形，加工段由內至外依次包括加工段纖芯、貴金屬膜和石墨烯薄膜；加工段纖芯的頂端有頂端貴金屬膜。
[0007]所述貴金屬膜和頂端貴金屬膜的材料優選金。
[0008]加工段纖芯和光纖段的纖芯為一體式纖芯。
[0009]所述光纖段纖芯和加工段纖芯均優選自多模光纖。
[0010]所述加工段纖芯的錐底直徑為400-600微米，加工段纖芯的錐體長度為5-50毫米，其錐形角度ο〈θ ( V。[0011]所述貴金屬膜的厚度為10-20納米；所述頂端貴金屬膜的厚度為200納米。
[0012]所述石墨烯薄膜的厚度為1-10個石墨烯原子層。
[0013]所述接頭優選SMA系列連接器。
[0014]本發明將圓柱形光纖，如多模光纖的一端，選取5-50毫米長研磨成錐形，其余部分為原光纖；在錐形光纖纖芯錐面鍍上10-20納米厚的貴金屬膜，在錐形光纖纖芯頂端鍍上200納米厚的貴金屬膜，貴金屬膜可以通過磁控濺射等方式制備；再在錐形光纖纖芯錐面的貴金屬膜表面通過化學氣相沉積法等方法沉積或生長ι-?ο個原子層厚度的石墨烯薄膜，形成一種光纖SPR傳感結構。錐形光纖纖芯表面具有極強的倏逝波，倏逝波能與其周圍物質產生互相作用。貴金屬膜具有良好的SPR效應，而石墨烯薄膜具有非常好的強度和極好的透光性，在此結構中它作為貴金屬膜的保護層和靈敏度增強層。
[0015]本發明的基于石墨烯薄膜的錐形光纖傳感結構相比于普通的光纖SPR傳感器具有更高的傳感靈敏度與化學穩定性，能夠實時監測，其結構緊湊，廣泛應用物理、化學、生物、醫療、食品安全等領域。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1是本發明的結構示意圖。
[0017]圖2是應用本發明的基于石墨烯薄膜的光纖傳感器的實驗系統圖。
[0018]附圖中的數字標記分別是: [0019]1:接頭；2:光纖段；3:加工段；
[0020]31:加工段纖芯； 32:貴金屬膜；33:石墨烯薄膜；
[0021]34:頂端貴金屬膜；35:錐形角度Θ ； 41:寬帶白光光源；
[0022]42:光纖光譜儀； 43:基于石墨烯薄膜的44:生物化學介質；
[0023]錐形光纖傳感器；
[0024]45a:Y型光纖耦合器；45b:Y型光纖耦合器；45c:Y型光纖耦合器。
【具體實施方式】
[0025]下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】進行詳細說明。
[0026]圖1為本發明所述的基于石墨烯薄膜的錐形光纖傳感器的結構示意圖，該光纖傳感器包括:接頭1、光纖段2和加工段3，光纖段2和接頭I連接，接頭I選用SMA905連接器，光纖段2選用圓柱形的多模光纖，加工段3為錐形，加工段3由內至外依次包括加工段纖芯31、貴金屬膜32和石墨烯薄膜33，貴金屬膜可以是金膜；加工段纖芯31和光纖段2的纖芯為一體式纖芯；加工段纖芯31的頂端有頂端貴金屬膜34，此處的貴金屬膜可以選擇金膜，也可以選擇其他貴金屬膜；加工段纖芯31的錐形角度35為Θ。
[0027]通過對錐形纖芯的錐形角度調整、貴金屬薄膜和石墨烯薄膜的厚度控制，可實現對所述光纖傳感器的光譜的調整。
[0028]上述基于石墨烯薄膜的錐形光纖傳感器的制備方法如下:
[0029]首先制備錐形光纖。將纖芯直徑范圍為400-600微米的多模光纖的一端去除涂覆層和包層，去除長度為5-50毫米；使用光纖研磨機研磨暴露的纖芯，制得錐形角度35為:0〈θ ^7°的加工段纖芯31。未去除涂覆層和包層的部分即為光纖段纖芯。[0030]然后在加工段纖芯31的錐面和頂端面制備金膜32和金膜34。金膜32和金膜34可以通過磁控濺射或真空鍍膜的方法來制作。所述金膜32是在有光源時，用來作為基底產生倏逝波的，其厚度大于等于10納米，小于等于20納米。頂端金膜34作為反射鏡，其厚度需要比金膜32厚，其厚度是200納米。
[0031]最后，在金膜32上層，采用CVD方法(化學氣相沉積法)，生長1-10個原子層厚度的石墨烯薄膜層33，每層石墨烯厚度為0.3-0.4納米。
[0032]所述光纖段2為普通的多模光纖，由內至外依次包括纖芯、光纖包層和光纖涂覆層。光纖段纖芯延伸到加工段即為加工段纖芯，如前所述，在加工段，纖芯外的涂覆層和包層被去除，由金膜和石墨烯薄膜代替。
[0033]接口 I為SMA905連接器。
[0034]圖2是應用本發明的基于石墨烯薄膜的光纖傳感器的實驗系統圖，41為寬帶白光光源，42為光纖光譜儀，43為基于石墨烯薄膜的錐形光纖傳感器，44為生物化學介質，上述各物體之間通過Y型光纖稱合器45a、45b和45c進行連接,光纖稱合器45b和基于石墨烯薄膜的錐形光纖傳感器連接，制備而成的光纖傳感器放置入待傳感的生物化學環境44中。
[0035]在工作過程中，寬帶白光光源41產生的白光通過Y型光纖耦合器45a和45b進入基于石墨烯薄膜的錐形光纖傳感器43，白光激發基于石墨烯薄膜的錐形光纖傳感器43上與溶液介質44接觸的石墨烯薄膜，產生等離子體共振波，等離子體共振波由基于石墨烯薄膜的錐形光纖傳感器43傳回，經過Y型光纖耦合器45b和45c進入光纖光譜儀42，由所述光纖光譜儀42接收所述等離子體共振波并進行測量。
[0036]對所公開的實施方式的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本發明。本發明將不會被限制于本文所示的這些實施方式，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。
【權利要求】
1.一種基于石墨烯薄膜的錐形光纖傳感器，具有接頭(I)、光纖段(2)和加工段(3)，光纖段(2)和接頭(I)連接，光纖段(2)為圓柱形，其特征在于:加工段(3)為錐形，由內至外依次包括加工段纖芯(31)、貴金屬膜(32)和石墨烯薄膜(33);加工段纖芯(31)的頂端有頂端貴金屬膜(34)。
2.如權利要求1所述的一種基于石墨烯薄膜的錐形光纖傳感器，其特征在于:所述貴金屬膜(32)和頂端貴金屬膜(34)的材料為金。
3.如權利要求1所述的一種基于石墨烯薄膜的錐形光纖傳感器，其特征在于:加工段纖芯(31)和光纖段(2)的纖芯為一體式纖芯。
4.如權利要求1所述的一種基于石墨烯薄膜的錐形光纖傳感器，其特征在于:所述光纖段纖芯和加工段纖芯均優選多模光纖纖芯。
5.如權利要求1所述的一種基于石墨烯薄膜的錐形光纖傳感器，其特征在于:所述加工段纖芯(31)的錐底直徑為400-600微米，加工段纖芯(31)的長度為5_50毫米，其錐形角度 0〈 Θ ^ 7°。
6.如權利要求1所述的一種基于石墨烯薄膜的錐形光纖傳感器，其特征在于:所述貴金屬膜(32)的厚度為10-20納米。
7.如權利要求1所述的一種基于石墨烯薄膜的錐形光纖傳感器，其特征在于:所述頂端貴金屬膜(34)的厚度為200納米。
8.如權利要求1所述的一種基于石墨烯薄膜的錐形光纖傳感器，其特征在于:所述石墨烯薄膜的厚度為ι-?ο個石墨烯原子層。
9.根據權利要求1所述的一種基于石墨烯薄膜的錐形光纖傳感器，其特征在于:所述接頭(I)優選SM A系列連接器。
【文檔編號】G01N21/41GK103868887SQ201410087958
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年3月11日 優先權日:2014年3月11日
【發明者】黃昱, 魏東山, 吳迪, 杜春雷, 崔洪亮, 常天英, 張洪 申請人:中國科學院重慶綠色智能技術研究院