一种氧化石墨烯光纤湿度传感器

1.本发明提出了一种氧化石墨烯光纤湿度传感器，属于光纤传感技术领域。


背景技术：

2.相对湿度传感至关重要，广泛用于食品加工、农业生产、生物制药、仪器制造和结构健康监测等各种领域。尽管传统的电化学相对湿度(rh)传感器具有测量精度高的优点，但该类传感器在易腐蚀、强电磁干扰和远程检测的环境中应用受到限制。自从光纤传感器问世以来，由于其结构紧凑、抗电磁干扰、响应时间快、精度高、稳定性好等优点，它被认为是克服了电化学湿度传感器缺点的理想选择。如今，研究者已经开发出了各种基于不同传感原理和结构的光纤传感器来检测相对湿度，包括光纤布拉格光栅(fbg)、长周期光栅(lpg)、法布里-珀罗(fp)光纤传感器、马赫-曾德尔干涉仪(mzi)、迈克尔逊和萨格纳克干涉仪、侧抛光光纤、微纳光纤或微纳光纤谐振环，以及表面等离振子共振。特别地，一些湿度传感器由空心光纤、无芯光纤、塑料光纤、少模光纤、保偏光纤和光子晶体光纤制备。但是，这些传感器存在一定的局限性：微纳光纤结构难以制备且非常脆弱；光纤fbg或fp结构制造复杂；光子晶体光纤价格昂贵。各种湿度敏感材料用于光纤湿度传感器，以使其对相对湿度变化更加敏感，例如聚酰亚胺、壳聚糖、pmma、金属氧化物、琼脂糖凝胶、聚乙烯醇(pva) 和二硫化钨。一些用于湿度传感的增敏材料(例如pva，琼脂糖和壳聚糖)存在片径纵横比小的缺点，这限制了它们检测相对湿度变化的能力。此外，湿度传感应用还必须平衡湿度敏感材料获取、涂覆难度以及传感效果是否良好之间的关系。
3.氧化石墨烯(go)因其优异的水溶液加工性、两亲性、表面功能性、表面增强拉曼散射性和荧光猝灭能力而备受关注。go中的二维原子结构和氧官能团，如羟基、羧基、环氧化物和羰基，使得go膜超渗透并对水分子具有超吸附性，同时二维结构特点使得go的电荷载流子(电子或空穴)密度对环境非常敏感。当go表面吸附了化学分子，其载流子密度将发生改变，利用go光频电导率的环境敏感性，可以制作基于go与光波导消逝波相互作用的光学传感器。将go与光波导相结合，go的光频电导率会影响光波导的有效折射率，进而影响到光波导中的传输光场。
4.现有基于马赫-曾德干涉仪的光纤湿度传感器，都是通过传感臂感知外界环境，引起参考臂和传感臂之间的相位差，导致干涉仪干涉波谷的波长移动。利用光谱分析仪等波长检测设备，探测波长的变化量，从而反推出外界的湿度变化。由于光谱仪等波长检测设备价格较为昂贵，因此这类传感器的成本较高，其实际应用受到了限制。


技术实现要素：

5.有鉴于此，为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出一种氧化石墨烯光纤湿度传感器，具有低成本、高灵敏度、高稳定性等特点。
6.本发明通过以下技术手段解决上述问题：
7.一种氧化石墨烯光纤湿度传感器，其特征在于：包括依次连接的入射光纤、分束
器、调制臂、合束器和出射光纤；
8.入射光纤用于输入光信号，分束器使得从入射光纤中进来的光信号经过分束器耦合到调制臂中，调制臂用于形成传输波导以筛选不同的光波传输模式，合束器使得从调制臂中进来的光信号经过合束器耦合到出射光纤中，出射光纤用于输出光信号，并将光信号传输到检测设备中。
9.作为一种优选的技术方案，所述入射光纤由单模光纤构成，入射光由单模光纤中的纤芯传输进来。
10.作为一种优选的技术方案，所述分束器结构与合束器结构相同，均包括被腐蚀的无芯光纤和氧化石墨烯薄膜，且氧化石墨烯薄膜均匀的涂覆在被腐蚀的无芯光纤表面。
11.作为一种优选的技术方案，所述被腐蚀的无芯光纤是无芯光纤由氢氟酸溶液腐蚀处理得到。
12.作为一种优选的技术方案，所述被腐蚀的无芯光纤是无芯光纤由氢氟酸溶液腐蚀处理得到，使得周围环境湿度的变化引起光纤倏逝波的改变，处理后的无芯光纤直径为80μm，长度为3mm。
13.作为一种优选的技术方案，所述调制臂由细芯光纤构成，且包括第一调制臂和第二调制臂，以及第一调制臂由细芯光纤中的包层组成，第二调制臂由细芯光纤中的纤芯组成；第一调制臂与第二调制臂长度相等。
14.作为一种优选的技术方案，所述出射光纤由单模光纤组成。
15.作为一种优选的技术方案，所述调制臂长度为10mm。
16.作为一种优选的技术方案，光信号经入射光纤中传输到分束器中，一部分耦合到第一调制臂，另一部分耦合到第二调制臂当中；在传输一段距离之后，由于第一调制臂与第二调制臂之间的传播常数不同，光波在两波导之间将发生相位延迟；最后，当两部分光经合束器到达出射光纤中时，干涉将发生在出射光纤的纤芯中；干涉输出谱的波谷波长的输出强度和相位差表示为：
[0017][0018][0019]icore
和i
cladding
分别是纤芯和包层中传输的光强度，i是输出强度；l是调制臂的长度，δn
eff
是调制臂的芯层和包层之间的有效折射率差；λ是光的波长；是相位差；
[0020]
从等式(1)中知道输出强度是i
core
、i
cladding
和δn
eff
的函数；此外，当δn
eff
变化时，透射谱波谷的波长也将发生偏移；通过无芯光纤表面的石墨烯感知外界湿度，从而引起i
core
和i
cladding
的变化，最终引起输出强度i的变化；通过测量i的大小，即可反推出环境湿度。
[0021]
作为一种优选的技术方案，氧化石墨烯薄膜的有效折射率对化学势μc的变化敏感；电导率σ和氧化石墨烯的μc之间的关系通过以下等式计算：
[0022][0022][0023]
等式(3)中，e是电子的电荷，kb是玻尔兹曼常数，τ是环境温度，而h是普朗克常数，ω，γ分别代表传输光圆频率、散射率，j为虚单位；大量的电荷转移将不可避免地导致
氧化石墨烯的电导率的变化，进而导致氧化石墨烯本身的有效折射率的变化；紧密附着在光纤表面上的氧化石墨烯和光纤看作是混合波导，因此，氧化石墨烯薄膜的有效折射率将随着吸收的水分子的增加而降低；导致无芯光纤有效折射率降低，影响无芯光纤中本征模式的激发，进而影响分光比导致透射光谱波谷强度的变化。
[0024]
与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：
[0025]
本发明是基于马赫-曾德干涉仪，通过改变两个干涉臂的光强，可以改变干涉仪干涉波谷的强度，通过探测波谷强度的变化，就可以反推出外界湿度的变化。具体来说是对组成分束器/合束器的无芯光纤进行腐蚀处理，并在处理之后的无芯光纤表面涂覆氧化石墨烯薄膜，利用无芯光纤与周围环境相互作用，即通过改变被腐蚀的无芯光纤部分的有效折射率，使得光波在无芯光纤部分的传播模式发生相应的改变，实现分束器/合束器的分光比的改变，从而实现最终输出光强度的变化，达到传感的目的。本发明氧化石墨烯光纤湿度传感器具有低成本、高灵敏度、高稳定性等特点。
附图说明
[0026]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0027]
图1是本发明实施例一种氧化石墨烯光纤湿度传感器的传感头结构示意图；
[0028]
图2是本发明实施例一种氧化石墨烯光纤湿度传感器透射谱波谷强度随环境湿度的变化；
[0029]
图3是本发明实施例一种氧化石墨烯光纤湿度传感器干涉光谱波谷功率随相对湿度的变化；
[0030]
其中：1、入射光纤；21、第一氧化石墨烯薄膜；22、第一被腐蚀的无芯光纤；31、第一调制臂；32、第二调制臂；41、第二氧化石墨烯薄膜；42、第二被腐蚀的无芯光纤；5、出射光纤。
具体实施方式
[0031]
下面结合附图对本发明的具体实施作进一步详细的说明，但本发明的实施和保护范围不限于此，对本发明作实质相同的等同替换均属于本发明的保护范围。
[0032]
本发明提供一种氧化石墨烯光纤湿度传感器，如图1所示，包括依次连接的入射光纤1、分束器、调制臂、合束器和出射光纤5。
[0033]
入射光纤1，用于输入光信号，将宽带光源的输出光传输到传感器中。
[0034]
作为一种优选的技术方案，所述入射光纤1由普通单模光纤构成，入射光由单模光纤中的纤芯传输进来。
[0035]
分束器，其输入端与入射光纤1连接，输出端与调制臂连接，使得从入射光纤1中进来的光信号经过分束器后进入到调制臂中。
[0036]
作为一种优选的技术方案，所述分束器为第一被腐蚀的无芯光纤 22并涂覆有第一氧化石墨烯涂薄膜21，以实现分光比可调。
[0037]
所述第一被腐蚀的无芯光纤22是无芯光纤由氢氟酸溶液腐蚀处理得到，使得周围环境湿度的变化引起光纤倏逝波的改变。处理后的无芯光纤直径大约为80μm，长度大约为3mm。
[0038]
调制臂，其输入端与分束器连接，其输出端与合束器连接，长度大约为10mm。调制臂用于形成传输波导，以筛选并传输不同的光传输模式。
[0039]
作为一种优选的技术方案，所述调制臂由细芯光纤构成，且包括第一调制臂31和第二调制臂32，以及第一调制臂31由细芯光纤中的包层组成，第二调制臂32由细芯光纤中的纤芯组成；第一调制臂 31与第二调制臂长度32相等。即调制臂的纤芯和包层构成马赫-曾德干涉仪的两个干涉臂。
[0040]
合束器，结构与分束器相同，输入端与调制臂连接，输出端与出射光纤5连接。合束器使得从调制臂中进来的光信号经过合束器耦合到出射光纤5中。
[0041]
作为一种优选的技术方案，所述合束器为第二被腐蚀的无芯光纤 42并涂覆有第二氧化石墨烯薄膜41，无芯光纤直径大约为80μm，长度大约为3mm。
[0042]
出射光纤5，用于输出光信号，并将光信号传输到检测设备中。
[0043]
作为一种优选的技术方案，所述出射光纤5结构由单模光纤组成。
[0044]
上述光纤湿度传感器由两段单模光纤、一段细芯光纤和两段无芯光纤交替熔接而成。当光从单模光纤传播到细芯光纤时，单模光纤的本征模式开始衍射，在细芯光纤内被激发出多个高阶模式，高阶模式的激发受到细芯光纤有效半径的调节。在细芯光纤部分逐渐变细之后，在细芯光纤表面形成强烈的消逝场，并使外部涂层膜的折射率变化敏感。波导中的“有效”横向尺寸与折射率密切相关，改变纤芯以及环境的有效折射率能够改变波导中的横向模场分布。
[0045]
光信号经入射光纤中传输到分束器中，一部分耦合到第一调制臂，另一部分耦合到第二调制臂当中。在传输距离10mm之后，由于第一调制臂与第二调制臂之间的传播常数不同，光波在两波导之间将发生相位延迟。最后，当两部分光经合束器到达出射光纤中时，干涉将发生在出射光纤的纤芯中。干涉输出谱的波谷波长的输出强度和相位差可以表示为：
[0046][0047][0048]icore
和i
cladding
分别是纤芯和包层中传输的光强度，i是输出强度； l是调制臂的长度，δn
eff
是调制臂的芯层和包层之间的有效折射率差；λ是光的波长；是相位差。从等式(1)中知道输出强度是i
core
、 i
cladding
和δn
eff
的函数。此外，当δn
eff
变化时，透射谱波谷的波长也将发生偏移。通常，基于mzi的传感器通过测量如上所述的透射谱波谷波长的偏移来获得环境参数。而本发明中，通过无芯光纤表面的石墨烯感知外界湿度，从而引起i
core
和i
cladding
的变化，最终引起输出强度i的变化。通过测量i的大小，即可反推出环境湿度。
[0049]
涂覆在无芯光纤表面的氧化石墨烯(go)薄膜作为湿度敏感材料是传感器增敏的重要环节，水分子与氧化石墨烯的结合改变go的有效折射率，因而可以达到对湿度增强敏感性的作用。光纤表面覆盖的 go薄膜可被认为是拼接起来的多原子层氧化石墨烯，其在湿度传感中发挥了关键作用。随着相对湿度的增加，go薄膜将吸收更多的水分子。一方面，吸
收的水分子将填充go层的切片，这将导致go膜直接膨胀，从而改变go薄膜的有效折射率。另一方面，go具有p型半导体导电特性，而水分子则是电子的受主，所以水分子在go表面的吸附会增加go表面载流子(空穴)的密度。随着湿度的增加，越来越多的水分子被吸附于go膜层的表面，go载流子密度随之增加。然后，go的费米能级在狄拉克点上增加，这导致带间跃迁的阻滞和导电率的降低。氧化石墨烯薄膜的有效折射率对化学势μc的变化敏感。电导率σ和氧化石墨烯的μc之间的关系可以通过以下等式计算：
[0050]
等式(3)中，e是电子的电荷，kb是玻尔兹曼常数，τ是环境温度，而是普朗克常数，ω，γ分别代表传输光圆频率、散射率，j为虚单位。大量的电荷转移将不可避免地导致氧化石墨烯的电导率的变化，进而导致氧化石墨烯本身的有效折射率的变化。紧密附着在光纤表面上的氧化石墨烯和光纤可以看作是混合波导，因此，go膜的有效折射率将随着吸收的水分子的增加而降低。导致无芯光纤有效折射率降低，影响无芯光纤中本征模式的激发，进而影响分光比导致透射光谱波谷强度的变化。
[0051]
在湿度测量实验中，将光纤传感头放入一个封闭的恒温恒湿箱内，湿度箱的温度保持在室温条件下，传感器的输入端连接宽带光源，输出端连接光谱分析仪。
[0052]
图2及图3所示，在实验室环境下，恒温恒湿箱中从湿度为45％增加到85％。很明显观察到干涉波形波谷的强度变化，这是由于光从单模光纤耦合到无芯光纤中，激发出来的高阶模式与氧化石墨烯薄膜发生作用。随着相对湿度的增加，水分子作用于氧化石墨烯薄膜使其有效折射率减小，引发出强烈的倏逝场。有效折射率的变化影响了被腐蚀的无芯光纤的本征模式激发，耦合进纤芯中的基膜以及包层中的高阶传输模式强度发生变化，从而影响干涉理论中的分光比，导致透射光强的对比度增大。为了获得传感器的敏感度，测量了波长在 1560nm处共振谷强度随相对湿度的变化，如图3所示。其中，离散点表示的是光强的变化，而实线则表示对应的线性拟合。从图3可以看出，共振谷强度随相对湿度线性变化，线性灵敏度为0.361db/rh％，相应的线性相关性为97.9％。
[0053]
本发明是基于马赫-曾德干涉仪，通过改变两个干涉臂的光强，可以改变干涉仪干涉波谷的强度，通过探测波谷强度的变化，就可以反推出外界湿度的变化。具体来说是对组成分束器/合束器的无芯光纤进行腐蚀处理，并在处理之后的无芯光纤表面涂覆氧化石墨烯薄膜，利用无芯光纤与周围环境相互作用，即通过改变被腐蚀的无芯光纤部分的有效折射率，使得光波在无芯光纤部分的传播模式发生相应的改变，实现分束器/合束器的分光比的改变，从而实现最终输出光强度的变化，达到传感的目的。本发明氧化石墨烯光纤湿度传感器具有低成本、高灵敏度、高稳定性等特点。
[0054]
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。