基于石墨烯的侧边抛磨光纤和微纳光纤光控特性研究-光学专业论文.docxVIP

万方数据 万方数据 摘要 光纤传感是光纤技术的一个重要领域，其发展始于 20 世纪 70 年代，一经问世就受到 极大重视，几乎在各个领域都得到研究与应用，成为传感技术的先导。侧边抛磨光纤与微 纳光纤作为光纤传感器的两种基底也在光电传感检测方面得到了广泛的应用并且起着重 要的作用。 石墨烯是由单层碳原子构成的二维蜂窝状结构晶体，碳原子排列与石墨的单原子层相 同，是一种结合了半导体和金属属性的碳质新材料。石墨烯的发现被预测很有可能在很多 领域引起革命性变化。由于石墨烯结构完整，化学稳定性高，其表面呈惰性状态，与其它 介质的相互作用较弱，并且石墨烯的片与片之间有较强的范德华力，容易产生聚集，使其 在水及常见的有机溶剂中难于分散，这给石墨烯的进一步研究和应用造成了困难。因此， 本文研究的甲基蓝石墨烯是采用将一种芳香族水溶性小分子甲基蓝修饰到石墨烯分子上 得到水性化石墨烯。 单模光纤中，通常足够厚度的光纤包层保证了在纤芯中传播的光场以及在光纤包层中 倏逝波场的能量不会泄漏到光纤外面。侧边抛磨光纤是用抛磨的方法使光纤的包层厚度减 小到倏逝波场存在的区域，也就是距纤芯仅几个微米的区域时，就形成了纤芯中传输光倏 逝波场的“泄漏窗口”。在此“窗口”处，就存在了利用倏逝波场来激发、控制、探测光纤纤 芯中的传输光波的可能。利用这一特性，已制作成为各类光纤器件和光纤传感器。 微纳光纤是在火焰或其他加热装置的加热下，对单根标准单模光纤去掉一截保护层的 区域进行加热，待加热段光纤达到软化状态时，通过对加热区域两端的光纤进行拉伸使得 光纤逐渐变细而得到。微纳光纤已经成为构建新型微纳光学系统的基础。 本论文研究基于石墨烯的侧边抛磨光纤和基于甲基蓝石墨烯的微纳光纤两种器件的 光可控特性，利用其沉积材料的特殊光学特性，对侧边抛磨光纤与微纳光纤进行了光可控 特性研究与探索。利用石墨烯与甲基蓝石墨烯的饱和吸收特性，用 405nm 的泵浦光来控制 侧边抛磨光纤与微纳光纤中信号光的功率变化。当已知光纤中信号光的功率变化时，根据 实验得出的结论可以推导出泵浦光的功率，实现探测传感 405nm 光功率。 以自然蒸发沉积的方法将石墨烯沉积到侧边抛磨光纤的抛磨区，用波长 405nm 的泵浦 光照射沉积石墨烯的抛磨区，测量光纤中的信号光功率变化。实验结果表明覆盖石墨烯的 侧边抛磨光纤对 405nm 泵浦光的光可控有较高的灵敏度。在泵浦光变化范围内，其透过光 I 功率最大变化达 3.4dB，证明了沉积石墨烯的侧边抛磨光纤具有良好的 405nm 光可控特性。 实验数据的分析表明沉积石墨烯的侧边抛磨光纤对泵浦光功率上升的光可控特性灵敏度 为 0.29dB/mw，线性度为 97.1%；对泵浦光功率下降的光可控特性灵敏度为 0.25dB/mw， 线性度为 96.5%。因此基于石墨烯的侧边抛磨光纤光可控特性研究具有良好的重复性。 以自然蒸发沉积的方法将甲基蓝石墨烯沉积到微纳光纤的微纳区，用波长 405nm 的泵 浦光照射沉积甲基蓝石墨烯的微纳区，测量光纤中的信号光功率变化。实验结果表明沉积 甲基蓝石墨烯的微纳光纤传输光功率与 405nm 泵浦光的光功率呈线性关系；当使用通信波 长 1550nm 检测时，线性相关系数可达 98.1%，检测紫光功率的灵敏度为 0.22dB/mw。 本论文创新之处： 1. 采用泵浦光外部照射的方法，研究了基于石墨烯的侧边抛磨光纤光控特性，并获得了 输出功率与泵浦光功率呈良好的线性关系，基于石墨烯的侧边抛磨光纤对毫瓦量级的 泵浦光有很好的线性响应。 2. 采用泵浦光外部照射的方法研究了基于新型甲基蓝石墨烯的微纳光纤光控特性，获得 了泵浦光功率与输出功率呈良好的线性关系，且响应带宽为 100nm。 关键字：光纤传感 侧边抛磨光纤 微纳光纤 石墨烯 甲基蓝石墨烯 光控 II Abstract Optical fiber sensing is an important field of optical fiber technology. The development of optical fiber sensing began in 1970s, and has been paid great attention. Side polished fiber and micro nano fiber which are used as bases of optical fiber sensor have been widely used and play an important role in photoelectric sensor detection. Graphene is a two-dimensional honeycomb crystal which