一种基于石墨烯的光纤温度传感器制造技术

本实用新型专利技术公开了一种基于石墨烯的光纤温度传感器，其特征在于：在一段圆形普通光纤上，其中一段长度为1～3cm的区域设为光纤传感区，光纤传感区的部分包层被去除，光纤包层与纤芯界面的最短距离为1～3μm，在光纤传感区上沉积了还原氧化石墨烯薄膜，还原氧化石墨烯薄膜的厚度为10～30μm。本实用新型专利技术利用石墨烯的热致光吸收效应制作温度传感器，具有响应速度快、灵敏度高、寿命长、抗电磁干扰能力强等优点。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

An optical fiber temperature sensor based on graphene

The utility model discloses an optical fiber temperature sensor based on graphene, which is characterized in that a circular common fiber, the length is 1 ~ 3cm for regional optical fiber sensing area, fiber optic sensing area portion of the clad layer is removed, the shortest distance between the fiber core and cladding interface 1 ~ 3 m, the optical fiber sensing region is deposited on the graphene films, reduced graphene oxide film with a thickness of 10 ~ 30 m. The utility model utilizes the thermal absorption optical effect of the graphene to make a temperature sensor, and has the advantages of fast response, high sensitivity, long service life, strong electromagnetic interference resistance, etc..

【技术实现步骤摘要】
一种基于石墨烯的光纤温度传感器
本专利技术涉及温度传感器，具体涉及一种基于石墨烯的光纤温度传感器。
技术介绍
标准光纤一般由上百微米厚的包层和几微米至几十微米的纤芯构成。一般情况下，光场被局限于纤芯附近，无法与外界环境相互作用。通过腐蚀和抛磨技术去掉部分包层后所可形成的特殊光纤。这种光纤中被抛磨去掉部分包层的区域称为光纤传感区。在光纤传感区，原被束缚在纤芯的光场以消逝场形式泄漏在光纤外部，致使外界环境与光场相互作用。利用这一特性，光纤已被制作成为多种光纤器件和光纤传感器，如紫外光功率传感器、全光纤集成化光功率监控器、光控偏振控制器。石墨烯为二维蜂窝状结构的单层碳原子。由于其特殊结构，电子呈现出独特的线性色散关系，电子可成为无静止质量的狄拉克粒子，具有很高的迁移速率。因此，石墨烯具有一般材料没有的非凡特性，如超高的导热性、超高的电导率、超宽带宽的光子响应、超宽的光学吸收带宽等。因此最近石墨烯受到了各领域的广泛关注，并被用作各种各样的传感器。F.Yarari等人使用泡沫状石墨烯作为气体传感器，发现其对气体NH3和NO2具有极高的灵敏度，灵敏度可达ppm量级；另外具有超高灵敏度的石墨烯生物传感器也不断被报道。最近石墨烯在光电子领域的应用不断被报道，已成为研究热点。其中应用石墨烯最行之有效的方法是将石墨烯直接与光波导结合形成光电子器件，利用石墨烯与波导模场的作用改变传输光场的性质，实现调控波导光子的作用。M.Liu等利用单层石墨烯覆盖在脊型波导上，通过电场调控石墨烯的费米能级实现调控石墨烯对波导光子吸收，从而实现小型化的高速宽带宽电光调制器；而Q.Bao等(Bao Qiaoliang, Zhang Han, Wang Binget al..Broadband graphene polarizer[J].Nature Photonics,2011,5 (7):411-415)则将石墨烯覆盖在侧边抛磨光纤的抛磨区，实现了宽带宽的石墨烯光纤起偏器，他们主要利用石墨烯特殊电子色散关系使石墨烯-抛磨D型光纤结构可激发TE偏振的等离子体模，使TE偏振光波成为传输模，而使TM偏振光波成为辐射模，最终成为只允许TE偏振通过的光纤起偏器。另外，专利(专利号:CN10100039)通过电热丝调控温度调控D型光纤上热光聚合物的折射率，而实现电控全光纤光功率可变衰减器。其主要利用了热致折射率的效应控制输出的光功率。由于聚合物大部分为绝热材料，因此这种热致折射率的响应速度慢。另夕卜，由于聚合物在空气或长期高温环境下容易氧化或变质，使其热致折射率的规律改变，从而限制了器件的使用寿命。目前，基于侧边抛磨光纤的石墨烯热光效应及其应用仍没有见报道。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的不足，提供一种基于石墨烯的光纤温度传感器。—种基于石墨烯的光纤温度传感器，其特征在于:在一段圆形普通光纤上，其中一段长度为I?3cm的区域设为光纤传感区，光纤传感区的部分包层被去除，光纤包层与纤芯界面的最短距离为I~3pm，在光纤传感区上沉积了还原氧化石墨烯薄膜，还原氧化石墨烯薄膜的厚度为10~30iim。进一步的，光纤传感区的部分包层被去除后形成“D”型光纤，这通常是以抛磨的方式制作；或者光纤传感区的部分包层被去除后还是圆柱型，剩余包层的厚度为I~3pm，这通常采用腐蚀的方法制作。，其特征在于包括如下步骤:(I)将圆形普通光纤中的一段I~3cm设为光纤传感区，通过抛磨或腐蚀将光纤传感区的包层去除一部分，在光纤传感区，光纤包层与纤芯界面的最短距离为I~3pm ;(2)制备还原氧化石墨烯；(3)将还原氧化石墨烯溶于乙醇中形成石墨烯溶液，将该溶液滴到光纤光纤传感区，乙醇蒸发后形成还原氧化石墨烯薄膜的厚度为10~30 i! m。进一步的，步骤(2)中还原氧化石墨烯的具体制备方法分为氧化和还原两步骤完成:第一步制备纯净的氧化石墨:先采用Hmnmers法得到石墨粉,通过透析的方法去除氧化石墨中的盐和酸，再通过离心方法收集氧化石墨且风干；第二步还原氧化石墨得到还原氧化石墨烯:先把氧化石墨分散在超纯水中，并用超声波处理3~5小时，以致大块的氧化石墨变成片状的纳米颗粒；然后取出上层清液，用离心分离法去除大片氧化石墨，剩下小片的氧化石墨溶液；用氢氧化铵把制备好氧化石墨溶液的PH值调到11后，往溶液中添加水合肼，形成混合物，通过水冷式冷凝器，将此混合物加热到95~100°C，保持2~3小`时后自然冷却到室温，再用介质多孔玻璃过滤得到还原氧化石墨烯。进一步的，步骤(2)中制备的还原氧化石墨烯，其单片石墨烯的大小为2~lOiim，厚度为0.68nm~1.46nm,即石墨烯单片厚度仅为2~4层碳原子的厚度。进一步的，步骤(3)中，石墨烯溶液的浓度为10~15wt%，石墨烯溶液滴到光纤传感区之前超声处理20~30分钟，使石墨烯均匀的分布在乙醇中，避免石墨烯结块，石墨烯溶液滴到光纤传感区后置于室温环境，乙醇自然蒸发后石墨烯沉积于光纤传感区的剩余包层上。本专利技术的机理与而Q.Bao等则将石墨烯覆盖在侧边抛磨光纤的抛磨区实现宽带宽的石墨烯光纤起偏器的机理完全不一样。该基于石墨烯的光纤起偏器主要利用了石墨烯的类金属特性产生表面光波导模，而本专利技术主要利用石墨烯的特殊电子色散关系和无带隙结构。与绝缘体和半导体相比较，很低的外界能量便可将石墨烯中电子激发到高能态，从而改变了电子的能级分布。外界温度的升高引起石墨烯中高能级的电子数增加，减少了石墨烯中两能态的电子布居数之差，从而导致石墨烯对光波吸收显著的减少。本专利技术正是利用石墨烯的这种热致光吸收效应制作传感器。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果:1.本专利技术采用了石墨烯-光纤的结构和石墨烯的热致光吸收效应，实现了基于石墨烯的全光纤温度传感器。传统的传感器，如热电偶式、PN结式和热敏电阻等温度传感器，通过感知微弱热生电压的方法测量温度。本专利技术采用石墨烯将温度转化为光强，将微弱的温度变化转换为较强的光强变化，提高此温度传感器的灵敏度。另一方面，本专利技术采用光信号作为温度传感信号，此温度传感器能有效的避免外界电子噪声，提高了传感器的信噪比。2.相比于布拉格光栅的温度传感器，本专利技术直接采用光强传感温度，不需昂贵的光谱解调设备，具有使用成本更低、更方便等优点。3.本专利技术不是使用单片石墨烯，而是使用还原氧化石墨烯。由于单片石墨烯的制作要求很苛刻，制作设备昂贵，制作时间较长，且不适于大批量生产，这导致单片石墨烯的制作成本相当高，而本专利技术采用的石墨烯为还原氧化石墨烯，采用化学氧化还原法制备所得，适合大批量生产，极大地降低其成本。器件制作更简单，成本更低；4.本专利技术不使用单层单片石墨烯作为传感材料，而使用由许多单片还原氧化石墨烯堆积而成的薄膜材料，以下简称石墨烯堆积薄膜，薄膜中的石墨烯单片大小为2?10 V- m,而厚度为0.68?1.36nm。这种石墨烯堆积薄膜的厚度为10?30 y m,而组成这种薄膜的石墨烯片之间通过范德华力相互吸引结合在一起，并没形成新的化学健，因此，这种石墨烯堆积薄膜仍具有单片单层石墨烯的优异性能。相比单层单片石墨烯0.34nm的厚度，这种石墨烯堆积薄膜更厚、更容易操作，更重要的是它能在空间上与侧边抛磨光纤的消逝光场发生更充分的热致光本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于石墨烯的光纤温度传感器，其特征在于：在一段圆形普通光纤上，其中一段长度为1～3cm的区域设为光纤传感区，光纤传感区的部分包层被去除，光纤包层与纤芯界面的最短距离为1～3μm，在光纤传感区上沉积了还原氧化石墨烯薄膜，还原氧化石墨烯薄膜的厚度为10～30μm。

【技术特征摘要】
1.一种基于石墨烯的光纤温度传感器，其特征在于:在一段圆形普通光纤上，其中一段长度为I?3cm的区域设为光纤传感区，光纤传感区的部分包层被去除，光纤包层与纤芯界面的最短距离为I?3 ym，在光纤传感区上沉积了还原氧化石墨烯薄膜，还原氧化石墨烯薄膜...

【专利技术属性】
技术研发人员：余健辉，陈哲，张军，廖国铮，蔡翔，卢惠辉，肖毅，唐洁媛，
申请(专利权)人：暨南大学，
类型：实用新型
国别省市：