本發(fā)明提出了一種基于氧化石墨烯薄膜和偏振相關(guān)性的光纖濕度傳感器，屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

石墨烯是一種新型的二維碳材料，具有比表面積大、導(dǎo)熱系數(shù)高、機(jī)械強(qiáng)度大等優(yōu)良性能。氧化石墨烯屬于石墨烯最重要的衍生物，它在保留著石墨烯眾多特性的同時(shí)，其表面豐富的含氧官能團(tuán)使得其有著良好的親水特性，可以穩(wěn)定的分散于水溶液或者乙醇溶液中。由于氧化石墨烯表面及邊緣存在著大量的含氧極性官能團(tuán)，因此該材料具有良好的吸濕性。將光纖傳感結(jié)構(gòu)浸入氧化石墨烯分散液中，同時(shí)在該光纖傳感結(jié)構(gòu)中輸入一定功率的連續(xù)激光，利用該激光在傳感結(jié)構(gòu)處產(chǎn)生的熱量以及光壓效應(yīng)，可以在光纖傳感器側(cè)表面均勻鍍上氧化石墨烯薄膜。利用該薄膜吸濕膨脹和干燥消溶脹的特性，可制成光纖濕度傳感器。

馬赫-曾德爾干涉型光纖傳感器通過(guò)采用干涉測(cè)量法產(chǎn)生相位調(diào)制以便獲得較高的靈敏度和分辨率，該原理也被廣泛應(yīng)用于各種光纖傳感器中來(lái)監(jiān)測(cè)各類待測(cè)量，其發(fā)展前景相當(dāng)廣闊。由于外界環(huán)境的變化會(huì)在很大程度上影響光纖中光偏振情況，利用光纖的雙折射和偏振相關(guān)損耗等偏振現(xiàn)象制作而成的光纖傳感器，其應(yīng)用前景也相當(dāng)廣闊。高靈敏度的馬赫-曾德爾光纖傳感儀結(jié)合光纖的偏振敏感性，傳感器的靈敏度將會(huì)得到進(jìn)一步的提升。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于氧化石墨烯薄膜和偏振相關(guān)性的光纖濕度傳感器，通過(guò)將一定功率的連續(xù)激光輸入到馬赫-曾德爾光纖干涉儀中，利用激光在傳感結(jié)構(gòu)處產(chǎn)生的熱量以及光壓效應(yīng)，可以在傳感結(jié)構(gòu)的側(cè)表面均勻鍍上氧化石墨烯薄膜。該薄膜具有吸濕膨脹和干燥消溶脹的特性，相應(yīng)的薄膜折射率也會(huì)發(fā)生變化。在馬赫-曾德爾干涉型光纖傳感器中加入偏振保持光纖，利用偏振保持光纖的雙折射和偏振相關(guān)損耗等偏振現(xiàn)象，可以極大的提高該新型傳感器的靈敏度和分辨率。

本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

本發(fā)明提供了一種基于氧化石墨烯薄膜和偏振相關(guān)性的光纖濕度傳感器，其特征在于：由寬帶光源(1)、偏振控制器(2)、光纖腰錐放大(3)、偏振保持光纖(4)、氧化石墨烯薄膜(5)、光纖錯(cuò)位(6)、單模光纖(7)和光譜分析儀(8)組成；光纖腰錐放大(3)、偏振 保持光纖(4)和光纖錯(cuò)位(6)構(gòu)成了馬赫-曾德爾光纖干涉儀；通過(guò)將一定功率的連續(xù)激光輸入到馬赫-曾德爾光纖干涉儀中，利用激光在偏振保持光纖(4)處產(chǎn)生的熱量以及光壓效應(yīng)，可以在偏振保持光纖(4)側(cè)表面均勻鍍上氧化石墨烯薄膜(5)；偏振控制器(2)用于控制入射光的偏振態(tài)；偏振控制器(2)左端與寬帶光源(1)連接，右端與光纖腰錐放大(3)連接，光纖腰錐放大(3)右端與偏振保持光纖(4)左端連接，偏振保持光纖(4)右端與單模光纖(7)左端錯(cuò)位熔接形成光纖錯(cuò)位(6)，單模光纖(7)右端與光譜分析儀(8)連接。

所述的基于氧化石墨烯薄膜和偏振相關(guān)性的光纖濕度傳感器，其特征在于：光纖腰錐放大(3)由單模光纖制作而成，長(zhǎng)度為150～320μm，直徑為150～200μm。

所述的基于氧化石墨烯薄膜和偏振相關(guān)性的光纖濕度傳感器，其特征在于：偏振保持光纖(4)的型號(hào)為熊貓型，長(zhǎng)度為10～30mm。

所述的基于氧化石墨烯薄膜和偏振相關(guān)性的光纖濕度傳感器，其特征在于：偏振保持光纖(4)和單模光纖(7)錯(cuò)位熔接形成了光纖錯(cuò)位(6)，光纖錯(cuò)位(6)的徑向錯(cuò)位距離保持在4～6μm。

所述的基于氧化石墨烯薄膜和偏振相關(guān)性的光纖濕度傳感器，其特征在于：氧化石墨烯薄膜(5)作為濕度敏感膜，厚度為0.5～2μm。

本發(fā)明的工作原理是：

入射光在經(jīng)過(guò)光纖腰錐放大(3)時(shí)，部分在光纖纖芯中傳播的光會(huì)被耦合到光纖包層中，激發(fā)出在包層中傳播的大量包層模，剩余的光將作為纖芯模繼續(xù)沿纖芯向前傳播；光纖錯(cuò)位(6)可以將包層中傳播的部分包層模重新耦合到單模光纖(7)纖芯中，從而與纖芯模形成馬赫-曾德爾干涉。包層模和纖芯模的相位差會(huì)隨外界環(huán)境的變化而變化，相位差變化可以表示為：

其中表示纖芯有效折射率和第m個(gè)包層模的有效折射率之差，λ為入射光波長(zhǎng)，l為偏振保持光纖(4)的長(zhǎng)度。當(dāng)外界環(huán)境變化時(shí)，例如折射率變化，將會(huì)引起變化，由此，通過(guò)監(jiān)測(cè)相位差值的變化，再和開始標(biāo)定的量對(duì)比，就可以測(cè)得當(dāng)前折射率的值。

馬赫-曾德爾干涉光譜的強(qiáng)度可以表示為：

其中i1和i2分別表示纖芯光的強(qiáng)度和包層中的光強(qiáng)度。

由于該馬赫-曾德爾光纖傳感儀中加入了一段偏振保持光纖(4)，將偏振控制器(2)調(diào) 節(jié)到合適的位置，那么入射光經(jīng)過(guò)偏振保持光纖(4)后，對(duì)應(yīng)的快軸、慢軸干涉峰將會(huì)被記錄在輸出的干涉圖中，快軸和慢軸干涉峰所對(duì)應(yīng)的共振波長(zhǎng)可以表示為：

λf和λs分別表示快軸和慢軸對(duì)應(yīng)的共振波長(zhǎng)，和分別表示偏振保持光纖(4)快軸上纖芯模和包層模的有效折射率，和分別表示偏振保持光纖(4)慢軸上纖芯模和包層模的有效折射率。當(dāng)外界的環(huán)境變化時(shí)，快軸和慢軸對(duì)應(yīng)的兩個(gè)干涉峰的變化尤為明顯。

本發(fā)明采用的是氧化石墨烯薄膜(5)，因?yàn)槠浔砻婕斑吘壌嬖诖罅康暮鯓O性基團(tuán)，因此，該材料對(duì)濕度變化敏感。氧化石墨烯薄膜吸收水分子會(huì)膨脹，干燥則會(huì)消溶脹，相應(yīng)的折射率也會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)該薄膜被鍍?cè)谄癖３止饫w(4)的表面時(shí)，該材料折射率的變化量將會(huì)同時(shí)作用在偏振保持光纖(4)的快軸和慢軸上，通過(guò)監(jiān)測(cè)透射光譜中快軸和慢軸干涉峰的變化量，可以得到折射率的改變量，從而達(dá)到探測(cè)外界濕度的變化。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明提出將對(duì)濕度變化尤為敏感的氧化石墨烯薄膜(5)作為濕度敏感膜，該傳感器對(duì)外界濕度變化的敏感性將明顯增強(qiáng)。同時(shí)，將偏振保持光纖(4)加入到馬赫-曾德爾干涉儀中，通過(guò)監(jiān)測(cè)對(duì)外界環(huán)境特別敏感的快軸、慢軸干涉峰的變化，該濕度傳感器的靈敏度將得到顯著提升。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的基于氧化石墨烯薄膜和偏振相關(guān)性的光纖濕度傳感器特征裝置示意圖；

圖2是本發(fā)明的基于氧化石墨烯薄膜和偏振相關(guān)性的光纖濕度傳感器處于不同濕度下的慢軸干涉峰光強(qiáng)變化圖；

圖3是本發(fā)明的基于氧化石墨烯薄膜和偏振相關(guān)性的光纖濕度傳感器慢軸干涉峰光強(qiáng)變化擬合曲線圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及實(shí)施實(shí)例對(duì)發(fā)明作進(jìn)一步描述：

參見附圖1，基于氧化石墨烯薄膜和偏振相關(guān)性的光纖濕度傳感器，其特征在于：由寬帶光源(1)、偏振控制器(2)、光纖腰錐放大(3)、偏振保持光纖(4)、氧化石墨烯薄膜(5)、 光纖錯(cuò)位(6)、單模光纖(7)和光譜分析儀(8)組成；光纖腰錐放大(3)、偏振保持光纖(4)和光纖錯(cuò)位(6)構(gòu)成了馬赫-曾德爾光纖干涉儀；通過(guò)將一定功率的連續(xù)激光輸入到馬赫-曾德爾光纖干涉儀中，利用激光在偏振保持光纖(4)處產(chǎn)生的熱量以及光壓效應(yīng)，可以在偏振保持光纖(4)側(cè)表面均勻鍍上氧化石墨烯薄膜(5)；偏振控制器(2)用于控制入射光的偏振態(tài)；偏振控制器(2)左端與寬帶光源(1)連接，右端與光纖腰錐放大(3)連接，光纖腰錐放大(3)右端與偏振保持光纖(4)左端連接，偏振保持光纖(4)右端與單模光纖(7)左端錯(cuò)位熔接形成光纖錯(cuò)位(6)，單模光纖(7)右端與光譜分析儀(8)連接。

光纖腰錐放大(3)利用單模光纖制作而成，采用的光纖熔接機(jī)型號(hào)為fujikura60s，程序設(shè)置利用的是光纖熔接機(jī)的特殊功能，通過(guò)控制電弧放電功率，放電次數(shù)和放電時(shí)間來(lái)控制光纖腰錐放大(3)的直徑和長(zhǎng)度。光纖腰錐放大(3)右端和偏振保持光纖(4)左端的熔接采用光纖熔接機(jī)標(biāo)準(zhǔn)程序熔接而成，偏振保持光纖(4)右端與單模光纖(7)左端錯(cuò)位熔接形成光纖錯(cuò)位(6)采用的是光纖熔接機(jī)手動(dòng)程序。

將偏振保持光纖(4)浸入氧化石墨烯分散液中，同時(shí)在該光纖傳感結(jié)構(gòu)中輸入一定功率的連續(xù)激光，利用該激光在偏振保持光纖(4)處產(chǎn)生的熱量以及光壓效應(yīng)，可以在偏振保持光纖(4)側(cè)表面均勻鍍上氧化石墨烯薄膜(5)，然后取出并置于室溫下自然干燥48小時(shí)。圖2為室溫條件下濕度變化范圍為30％～77％情況下，位于1543nm波長(zhǎng)處慢軸干涉峰光強(qiáng)變化圖。隨著實(shí)驗(yàn)濕度逐漸增大，對(duì)應(yīng)的慢軸干涉峰強(qiáng)度逐漸減小。圖3是本發(fā)明的的慢軸干涉峰光強(qiáng)變化隨濕度變化的擬合曲線圖，相對(duì)濕度范圍在30％～77％情況下的擬合度可以達(dá)到0.99；相對(duì)濕度范圍在55％～77％情況下，該傳感器的靈敏度可達(dá)到0.282db/rh，線性擬合度可以達(dá)到0.99。