基于石墨烯增敏的微纳光纤光栅气体传感器-研究

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1、摘要摘要作为新一代传感技术，光纤传感在航空航天、国防军事、生物医疗、环境监测等领域有重要作用，其中微纳光纤以大比例的倏逝场特性广泛用于传感研究，其与纳米材料的结合，成为光纤传感与化学传感领域的重要方向，而如何实现生化分子的微量传感也是该领域的一大难题。石墨烯的出现，为微纳光纤的倏逝场传感技术提供了全新的选择与方向。作为一种二维薄膜材料，石墨烯具有很好的分子吸附特性，对周围环境较为敏感，且易于以各种方式和光纤微波导进行组合。因此，进行关于石墨烯与微纳光纤相结合的传感研究，不仅在微纳光学和纳米材料的交叉学科中具有重要的意义，而且在未来分子级的超敏探测领域具有

2、前沿的研究价值。本文提出了一种石墨烯—微纳光纤光栅的混合波导结构用于气体传感，包裹微纳光纤光栅的单层石墨烯，会使沿微纳光纤光栅表面传输的倏逝场得到大幅增强；同时吸附在石墨烯表面的气体分子，会改变石墨烯的载流子浓度进而改变其光学折射率，复合波导的有效折射率也将被改变，从而引起相应的波长漂移和衰减，通过检测输出光信号的变化完成气体浓度和光谱之间的映射，可以实现对外界微量分子的浓度传感。首先，本文对于微纳光纤光栅和石墨烯薄膜的性质进行研究，在理论上对微纳光纤光栅的传感特性进行分析，针对石墨烯对微纳光纤传输光场的影响，以及石墨烯与气体分子的相互作用进行探讨，为石

3、墨烯-微纳光纤光栅混合波导的传感性质研究奠定了理论基础。其次，本文对微纳光纤光栅的制作及石墨烯薄膜的制备和表征进行了说明，展开建模与相关仿真工作，为后续石墨烯—微纳光纤光栅混合波导的实验研究奠定了基础。最后，对基于石墨烯的微纳光纤光栅混合波导结构展开气体传感研究，得出石墨烯的引入对该结构具有一定的增敏作用，实验验证了此混合波导应用于光学传感的可行性，并通过对此结构参数进行优化探讨，获得实际研究中性能较好的石墨烯—微纳光纤光栅气体传感器，实现对生化气体的高灵敏度传感。关键词：光纤传感，微纳光纤光栅，石墨烯，气体传感IABSTRACTABSTRACTAsan

4、ewgenerationofsensingtechnology,opticalfibersensingplaysanimportantroleinthefieldsofaerospace,defenseofmilitary,biomedicalandenvironmentmonitoring.Inthepastyears,microfiberhasbeenwidelystudiedandusedinthefibersensingarea,foritsspecialcharacteristicoflargeproportionofevanescentfie

5、ld.Anditscombinationwithnanomaterialsbecomesahotdirectioninthefieldofopticalfibersensingandchemicalsensing.Buthowtoachievethetracesensingofmoleculesisalsoamajorprobleminthisarea.Thediscoveryofgraphenematerialprovidesatotallynewmethodtotheresearchontheevanescentfieldsensingtechnol

6、ogyofmicrofiber.Asakindoftwo-dimensionalfilmmaterial,graphenehasgoodcharacteristicsofmolecularadsorption,relativelysensitivetothesurroundingenvironment,andeasytobecombinedwithmicrofiberwaveguideinvariousways.Therefore,theresearchonthecombinationofgrapheneandmicrofibersensorshasgr

7、eatsignificance,notonlyintheinterdisciplinaryofmicro-opticsandnanomaterials,butalsointhevalueofthecutting-edgeresearchinthefuture,likethefieldofsupersensitivedetectionformolecularlevel.ThethesisproposesahybridwaveguidestructureofgraphenecoatedmicrofiberBragggratingforgassensing.T

8、hecoatedgraphenewillsignificantlyenhance