一种石墨烯膜光纤法珀谐振器及其激振/拾振检测方法技术

本发明专利技术公开了一种石墨烯膜光纤法珀谐振器及其激振/拾振检测方法。该谐振器基于石墨烯膜和光纤法珀干涉光学原理制成，以石墨烯膜为谐振材料，利用光纤传导激光实现薄膜激振与拾振。所述的激振方法，利用光强调制的激光周期性照射石墨烯膜，石墨烯膜吸收光能并转换为机械能，产生受迫振动，实现石墨烯膜谐振器的激振。所述的拾振方法，基于法珀干涉原理，对采集的干涉信号进行解调，获取干涉光信号的频率变化信息，实现与该频率量相关的被测量检测。该谐振器具有制作简单、高灵敏度、体积小、功耗低、准数字信号输出、在线测量、抗电磁干扰等优点，可进行压力、温度、湿度等物理量以及气体量、生物量等参数检测，并应用于航空航天、生物医学、工业控制等领域。

Vibration detection method of graphene film fiber Fabry Perot resonator and its excitation / pick up

The invention discloses a vibration detection method of graphene film fiber Fabry Perot resonator and its excitation / pick up. The resonator based on graphene film and optical fiber Fabry Perot interferometer made of principle, to graphene film as resonant materials, thin film vibration and vibration by using optical fiber laser. The excitation method uses a light intensity modulated laser to irradiate the graphene film periodically, and the graphene film absorbs light energy and converts it into mechanical energy to generate forced vibration and realize the excitation of the graphene film resonator. Vibration pick up the method, based on the principle of Fabry Perot interference. To demodulate the interference signal acquisition, access interference frequency change information of the optical signal to realize frequency is associated with the volume measurement. The resonator has the advantages of simple manufacture, high sensitivity, small volume, low power consumption, digital signal output, online measurement, anti electromagnetic interference and other advantages, for pressure, temperature and humidity and other physical quantities and the amount of gas, biomass and other parameters detection, and applied in aerospace, biomedical, industrial control and other fields.

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯膜光纤法珀谐振器及其激振/拾振检测方法
本专利技术涉及光纤干涉型谐振器及光纤传感的
，尤其涉及一种石墨烯膜光纤法珀谐振器及其光纤干涉激振/拾振检测方法。
技术介绍
谐振式微机械传感器除具有普通微传感器的优点外，还具有准数字信号输出、抗干扰能力强、分辨力和测量精度高的优点。因此，性能稳定可靠、精度高，直接输出频率量的谐振式微结构传感器是当今微机械传感器研究的重点，近年来国内外对谐振式微机械压力传感器的研究多集中于硅膜。自2004年英国曼彻斯特大学K.S.Novoselov等人发现石墨烯以来，围绕该材料的机械、光学、电学与热学等性能的研究受到人们密切关注，为传统微机械谐振器因材料限制遇到的瓶颈问题带来了新的突破，从而明显提高谐振频率和品质因数。石墨烯是目前已知最薄的材料，其单层厚度仅为0.335nm(参见：NovoselovKS,GeimAK,MorozovSV,etal.Electricfieldeffectinatomicallythincarbonfilms[J].Science,2004,306(5696):666-669.)，也是最强韧的材料，断裂强度比最好的钢材还要高200倍。同时它又有很好的弹性，拉伸幅度能达到自身尺寸的20％。目前，通常采用硅微加工方法制作石墨烯微谐振器。例如，2007年J.ScottBunch等人首次将石墨烯膜应用于机械谐振器(参见：JScottB,ZandeAMVD,VerbridgeSS,etal.Electromechanicalresonatorsfromgraphenesheets[J].Science,2007,315(5811):490-493.)，在设有凹槽的SiO2上两端固支石墨烯，用电驱动使其振动，采用空间光学装置拾取其机械振动；2010年美国A.M.vanderZande等人利用CVD方法制作了两边固支和四边固支的石墨烯谐振器(参见：AmVDZ,BartonRA,AldenJS,etal.Large-scalearraysofsingle-layergrapheneresonators[J].NanoLetters,2010,10(12):4869-4873.)，实验结果表明，四边固支的正方形谐振器可获得两倍于基频的高阶共振膜，且比两边固支具有更高的品质因数；2013年韩国J.W.Kang等人利用分子动力学方法对石墨烯膜谐振器进行了仿真分析(参见：KangJW,KimHW,KimKS,etal.Moleculardynamicsmodelingandsimulationofagraphene-basednanoelectromechanicalresonator[J].CurrentAppliedPhysics,2013,13(4):789-794.)，结果表明，谐振器的基频和作用在两边的平均张力密切相关，初始应变引起的张力可通过石墨烯的负热膨胀系数和基底的正热膨胀系数进行调整。2014年加拿大M.A.N.Dewapriya等人利用分子动力学仿真研究了温度以及边缘效应对石墨烯膜谐振特性的影响(参见：DewapriyaMAN,PhaniAS,RajapakseRKND.Influenceoftemperatureandfreeedgesonthemechanicalpropertiesofgraphene[J].Modelling&SimulationinMaterialsScience&Engineering,2013,21(6):2848-2855.)。总之，相关研究表明，国内外将新型材料石墨烯膜用于谐振器的研究尚处于理论仿真与特性实验阶段，所采用的谐振器加工制作难度大、工艺设备要求高，且多基于电学激振/拾振方法。因此，本专利技术基于以石墨烯膜为敏感材料的谐振器，利用石墨烯超薄的厚度和良好的机械力学特性，引入光纤干涉方法，提出了一种石墨烯膜光纤FP谐振器及其激振/拾振检测方法，具有制作简单、高灵敏度、体积小、功耗低、准数字信号输出、抗电磁干扰等优点。
技术实现思路
本专利技术的内容是提出一种制作方法能够制作出简单、性能优良的石墨烯膜光纤FP谐振器，并提出相应的光纤干涉激振/拾振检测方法。该谐振器由石墨烯膜、单模光纤、光纤插芯、插芯匹配套管等构成，可解决现有方法中石墨烯膜MEMS/NEMS谐振器的加工制作难度大、成本高问题，同时光纤干涉激振/拾振检测方法具有可靠性高、在线测量、抗电磁干扰等优点，并可解决现有基于空间光学的激振/拾振检测存在的测试装置复杂、不利于现场在线测量等实用性问题。本专利技术的目的之一在于提出一种石墨烯膜光纤FP谐振器及其制作方法；本专利技术的目的之二在于提出一种石墨烯膜光纤FP谐振器的激振/拾振检测方法。本专利技术的目的之一是通过以下技术方案来实现：一种石墨烯膜光纤法珀(Farbry-Perot,FP)谐振器，该谐振器的制作方法包括以下步骤：步骤1.谐振器组件选型：选用石墨烯膜、插芯匹配套管、光纤插芯和单模光纤，所述的插芯匹配套管的底面为C型，所述的光纤插芯为氧化锆陶瓷插芯，所述的石墨烯膜的形状为梁式、圆形、方形、异形或上述不同形状的组合；步骤2.对所述的光纤插芯端面进行超声、丙酮、去离子水清洗；之后，将单模光纤的尾端用光纤切割刀切平，通过端面检测仪或显微镜检测光纤插芯端面和单模光纤尾端切平后端面的平整度；步骤3.将所述的石墨烯膜转移吸附至处理后的光纤插芯端面；步骤4.将步骤3所述的吸附有石墨烯膜的光纤插芯与另一裸光纤插芯，分别从插芯匹配套管的两端插入，其中，两个光纤端面的距离相距在1mm左右；步骤5.将端面处理过的单模光纤插入步骤4所述的裸光纤插芯，则由单模光纤端面和石墨烯膜构成法布里-珀罗干涉腔；步骤6.可在光纤插芯尾端与单模光纤的连接处涂环氧树脂或利用激光熔接进行固定，完成石墨烯膜谐振器的制作。其中，所述的石墨烯膜为单层、少层或多层石墨烯膜；所述的光纤插芯的端面为PC抛光端面，所述的单模光纤为带单模尾纤的光纤接头。其中，所述的插芯及其匹配套管可选用的材料包括但不限于SiO2、ZrO2陶瓷、玻璃和塑料。其中，所述的干涉腔可为传统的封闭式，或非封闭式，所述的非封闭式干涉腔便于石墨烯膜两侧腔体与真空环境连通，降低空气阻尼。其中，所述的干涉腔初始腔长的测量方法在于：利用宽带光源、环行器、光谱仪和三维光纤微动平台等对单模光纤端面与石墨烯膜端面间干涉腔长进行检测，并利用光信号相位解调中的双峰法对干涉光谱信号的解调，则腔长L可表示为：式中，λ1，λ2是干涉光谱的两个相邻的峰峰值或者最小值，即将多光束光干涉近似为双光束光干涉，通过峰值对应波长计算腔长，取干涉对比度K为：式中，Imax，Imin分别为对应腔长位置的最大光强和最小光强值，K值表征的是干涉场中干涉条纹亮暗的对比程度，通过计算K值接近于1的程度，分析干涉条纹性能，确定最佳干涉腔腔长。本专利技术的目的之二是通过以下技术方案来实现：一种光纤干涉激振/拾振检测方法，由DFB激光器、电光调制器、掺铒光纤放大器、耦合器、环形器、光电探测器、锁相放大器和带通滤波器等搭建而成光纤干涉激振/拾振装置，通过调节光学激振装置的激励频率，引起石墨烯膜谐振器的敏感膜片的受迫振动，利用光学拾本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石墨烯膜光纤法珀(Farbry‑Perot,FP)谐振器，其特征在于：该谐振器的制作方法包括以下步骤：步骤1.谐振器组件选型：选用石墨烯膜、插芯匹配套管、光纤插芯和单模光纤，所述的插芯匹配套管的底面为C型，所述的光纤插芯为氧化锆陶瓷插芯，所述的石墨烯膜的形状为梁式、圆形、方形、异形或上述不同形状的组合；步骤2.对所述的光纤插芯端面进行超声、丙酮、去离子水清洗；之后，将单模光纤的尾端用光纤切割刀切平，通过端面检测仪或显微镜检测光纤插芯端面和单模光纤尾端切平后端面的平整度；步骤3.将所述的石墨烯膜转移吸附至处理后的光纤插芯端面；步骤4.将步骤3所述的吸附有石墨烯膜的光纤插芯与另一裸光纤插芯，分别从插芯匹配套管的两端插入，其中，两个光纤端面的距离相距在1mm左右；步骤5.将端面处理过的单模光纤插入步骤4所述的裸光纤插芯，则由单模光纤端面和石墨烯膜构成法布里‑珀罗干涉腔；步骤6.可在光纤插芯尾端与单模光纤的连接处涂环氧树脂或利用激光熔接进行固定，完成石墨烯膜谐振器的制作。

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯膜光纤法珀(Farbry-Perot,FP)谐振器，其特征在于：该谐振器的制作方法包括以下步骤：步骤1.谐振器组件选型：选用石墨烯膜、插芯匹配套管、光纤插芯和单模光纤，所述的插芯匹配套管的底面为C型，所述的光纤插芯为氧化锆陶瓷插芯，所述的石墨烯膜的形状为梁式、圆形、方形、异形或上述不同形状的组合；步骤2.对所述的光纤插芯端面进行超声、丙酮、去离子水清洗；之后，将单模光纤的尾端用光纤切割刀切平，通过端面检测仪或显微镜检测光纤插芯端面和单模光纤尾端切平后端面的平整度；步骤3.将所述的石墨烯膜转移吸附至处理后的光纤插芯端面；步骤4.将步骤3所述的吸附有石墨烯膜的光纤插芯与另一裸光纤插芯，分别从插芯匹配套管的两端插入，其中，两个光纤端面的距离相距在1mm左右；步骤5.将端面处理过的单模光纤插入步骤4所述的裸光纤插芯，则由单模光纤端面和石墨烯膜构成法布里-珀罗干涉腔；步骤6.可在光纤插芯尾端与单模光纤的连接处涂环氧树脂或利用激光熔接进行固定，完成石墨烯膜谐振器的制作。2.根据权利要求1所述的石墨烯膜光纤法珀谐振器，其特征在于：所述的石墨烯膜为单层、少层或多层石墨烯膜；所述的光纤插芯的端面为PC抛光端面，所述的单模光纤为带单模尾纤的光纤接头。3.根据权利要求1所述的石墨烯膜光纤法珀谐振器，其特征在于：所述的插芯及其匹配套管可选用的材料包括但不限于SiO2、ZrO2陶瓷、玻璃和塑料。4.根据权利要求1所述的石墨烯膜光纤法珀谐振器，其特征在于：所述的干涉腔可为传统的封闭式，或非封闭式，所述的非封闭式干涉腔便于石墨烯膜两侧腔体与真空环境连通，降低空气阻尼。5.根据权利要求1所述的石墨烯膜光纤法珀谐振器，其特征在于：所述的干涉腔初始腔长的测量方法在于：利用宽带光源、环行器、光谱仪和三维光纤微动平台等对单模光纤端面与石墨烯膜端面间干涉腔...

【专利技术属性】
技术研发人员：李成，兰天，余希彧，李雪，樊尚春，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11