CN107748007B - 基于石墨烯薄膜光纤微腔的光照强度探测器 - Google Patents

Abstract

一种基于石墨烯薄膜光纤微腔的光照强度探测器，它涉及一种光照强度探测***。本发明解决了现有的光功率计的探头较小，只能用于方向性非常强的小光斑激光光强测量的缺陷。本发明的光照强度探测***利用太阳能板接收光源辐射的能量，将光能转化为电能，电能以电流的形式经过石墨烯薄膜时产生焦耳热，石墨烯薄膜在焦耳热的作用下收缩导致光纤微腔的腔长变化，光电探测器的输出电压随之变化。本发明的光照强度探测***不仅可以用来测量大面积发光物体和方向性不强的光源的光强度，同时可以大大提高光强测量灵敏度。本发明用于光照强度探测技术领域。

Description

基于石墨烯薄膜光纤微腔的光照强度探测器

技术领域

本发明涉及到一种基于石墨烯薄膜光纤微腔的光照强度探测技术，具体涉及一种用于光照强度探测的器，属于光照强度探测技术领域。

背景技术

传统的光照强度探测器大多利用光功率计来实现对光强度的测量，但是由于光功率计的探头的尺寸较小，一般仅有10mm*10mm，那么，当利用光功率计来测量光源光照的强度时，就需要对光源光照的方向性和光源光斑的大小提出较高的要求；同时，传统的光照强度探测器的探测灵敏度也相对较低。所以，市场上迫切需要一种光照强度探测的器，并且这种光照强度探测器的使用，在不受限于光源光斑大小和光源方向性的同时，应该可以大大提高探测的灵敏度。

发明内容

在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

本发明的目的是为解决传统光照强度探测器存在的仅能用于方向性非常强的小光斑激光光强测量的缺陷及光照强度测量灵敏度不高的问题。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：一种基于石墨烯薄膜光纤微腔的光照强度探测器，包括DFB激光器、光纤耦合器、传感头、太阳能板和光电探测器，其中：

所述传感头由光纤微腔和金属电极构成；

所述光纤微腔由石墨烯薄膜、石英管和单模光纤构成，石英管的一端与所述单模光纤的一端相熔接，使得石英管内部形成一个空腔，所述石墨烯薄膜覆盖于石英管的另一端，所述金属电极的正极和负极通过所述石墨烯薄膜相连接；

所述太阳能板的一端通过导线与传感头的金属电极的正极相连接，所述太阳能板的另一端通过导线与传感头的金属电极的负极相连接；

所述DFB激光器发出的光信号经过光纤耦合器后进入传感头，经传感头反射的光信号通过光纤耦合器进入光电探测器。

本发明的有益效果是：本发明的DFB激光器发出的光经光纤耦合器进入传感头，然后经传感头反射的光通过光纤耦合器进入光电探测器，本发明的太阳能板经电线与传感头的金属电极的正、负极相连，太阳能板可以接收光源辐射的能量，并将光能转化为电能，电能以电流的形式经过石墨烯薄膜时会产生焦耳热，而石墨烯薄膜在焦耳热的作用下会收缩导致光纤微腔的腔长变化，进而导致光电探测器的输出电压随之变化，因此通过光电探测器输出电压的变化，就可以探测出光源的光照强度的大小，同时，强度的测量不会受到光源光斑大小和光源方向性的限制。

根据本发明的一个方面，提供了一种基于石墨烯薄膜光纤微腔的光照强度探测器，该基于石墨烯薄膜光纤微腔的光照强度探测器包括太阳能板、传感头、光纤耦合器、DFB激光器、光电探测器；其中，传感头包括石墨烯薄膜、金属电极、石英管、单模光纤。石英管的一端与单模光纤熔接，另一端被石墨烯薄膜覆盖，使得石英管的内部形成光纤微腔。

进一步地，石英管的长度为50μm-200μm，石英管的内径为20μm-80μm，石英管的外径和单模光纤的外径均为125μm，单模光纤的长度为50μm-200μm，单模光纤的内径为40μm-60μm。

进一步地，光纤耦合器为1×2光纤耦合器。

进一步地，石英管的长度为50μm-200μm，内径为20μm-80μm，外径为125μm。

进一步地，单模光纤的长度为50μm-200μm，内径为40μm-60μm，外径为125μm。

进一步地，金属电极的厚度在80nm-200nm之间。

进一步地，太阳能板的长度为20mm-80mm，宽度为20mm-80mm。

进一步地，DFB激光器的中心波长在1300nm-1600nm，谱宽在0.01pm-0.1pm。本发明的基于石墨烯薄膜光纤微腔的光照强度探测器，不仅能够解决常见的光功率计只适用于方向性非常强的小光斑激光光强测量的问题，还能解决光照强度测量灵敏度低的问题。

通过以下结合附图对本发明的最佳实施例的详细说明，本发明的这些以及其他优点将更加明显。

附图说明

本发明可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，其中在所有附图中使用了相同或相似的附图标记来表示相同或者相似的部件。所述附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分，而且用来进一步举例说明本发明的优选实施例和解释本发明的原理和优点。在附图中：

图1是示出本发明的基于石墨烯薄膜光纤微腔的光照强度探测器的一个示例的结构示意图；

图2是示出图1所示的传感头的一种可能结构的示意图；

图3是示出用于制作本发明的传感头的一个示例的实验装置图。

图中：1，DFB激光器；2，光纤耦合器；3，传感头；311，石墨烯薄膜；312，石英管；313，单模光纤；32，金属电极；4，太阳能板；5，光电探测器。

本领域技术人员应当理解，附图中的元件仅仅是为了简单和清楚起见而示出的，而且不一定是按比例绘制的。例如，附图中某些元件的尺寸可能相对于其他元件放大了，以便有助于提高对本发明实施例的理解。

具体实施方式

在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与***及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。

在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

具体实施方式一、参见图1和2说明本实施方式。本实施方式所述的基于石墨烯薄膜光纤微腔的光照强度探测装置包括DFB激光器1、光纤耦合器2、传感头3、太阳能板4和光电探测器5，其中：

所述传感头3由光纤微腔和金属电极32构成；

所述光纤微腔由石墨烯薄膜311、石英管312和单模光纤313构成，石英管312的一端与所述单模光纤313的一端相熔接，使得石英管312内部形成一个空腔，所述石墨烯薄膜311覆盖于石英管312的另一端，所述金属电极32的正极和负极通过所述石墨烯薄膜311相连接；

所述太阳能板4的一端通过导线与传感头3的金属电极32的正极相连接，所述太阳能板4的另一端通过导线与传感头3的金属电极32的负极相连接；

所述DFB激光器1发出的光信号经过光纤耦合器2后进入传感头3，经传感头3反射的光信号通过光纤耦合器2进入光电探测器5。

本实施方式中的DFB激光器1用来产生激光信号，DFB激光器1产生的激光信号经过光纤耦合器2，从光纤耦合器2出来的光进入传感头3，经过传感头3反射回来的光信号再次经过光纤耦合器2后进入光电探测器5，太阳能板4用来接收光源辐射的能量，并将光能转化成电能，电能以电流的形式经过传感头3的石墨烯薄膜311时会产生焦耳热，而石墨烯薄膜311在焦耳热的作用下会收缩导致光纤微腔的腔长变化，进而导致光电探测器5的输出电压随之变化，通过探测光电探测器5的输出电压的变化，即可探测出光源的光照强度的大小。

太阳能板4平行于光源放置，太阳能板4接收到光源辐射的能量，将光能转化为电能，其变化关系可表示为

（1）

其中，I为光照强度，i为电流。

电能以电流的形式经过石墨烯薄膜311时产生焦耳热，石墨烯薄膜311在焦耳热的作用下收缩导致光纤微腔的腔长变化，其变化关系可表示为

（2）

其中，i为电流，ΔL为光纤微腔的腔长变化量，由于石墨烯独特的电子和机械性质使其受热形变在亚微米量级，所以将石墨烯与光纤微腔相结合可大大提高测量灵敏度。

光纤微腔的腔长变化导致光电探测器5的输出电压产生相应的变化，其变化关系可表示为

（3）

其中，ΔL为光纤微腔的腔长变化量，V为光电探测器的输出电压。

由以上三个公式可推倒出

（4）

因此，只要探测光电探测器输出电压的变化就可得出光源的光照强度大小。

具体实施方式二、参见图1说明本实施方式。本实施方式是对实施方式一所述的基于石墨烯薄膜光纤微腔的光照强度探测装置的进一步限定，本实施方式中光纤耦合器2为1×2光纤耦合器。

本实施方式限定了光纤耦合器2为1×2光纤耦合器，以保证经过传感头3反射回来的光信号可以输入到光电探测器5。

具体实施方式三、参见图2说明本实施方式。本实施方式是对实施方式一所述的基于石墨烯薄膜光纤微腔的光照强度探测装置的进一步限定，本实施方式中的石英管312的长度为50μm-200μm，内径为20μm-80μm，外径为125μm。

本实施方式限定了石英管312的内径为20μm-80μm，石墨烯薄膜311的直径略大于石英管312的内径以保证石英管312的内径被石墨烯薄膜311全部覆盖。

具体实施方式四、参见图2说明本实施方式。本实施方式是对实施方式一所述的基于石墨烯薄膜光纤微腔的光照强度探测装置的进一步限定，本实施方式中的单模光纤313的长度为50μm-200μm，内径为40μm-60μm，外径为125μm。

本实施方式进一步限定了单模光纤的外径为125μm，以保证石英管和单模光纤的外径大小相匹配。

具体实施方式五、参见图2说明本实施方式。本实施方式是对实施方式四所述的基于石墨烯薄膜光纤微腔的光照强度探测装置的进一步限定，本实施方式中的金属电极32的厚度在80nm-200nm之间。

具体实施方式六、参见图2说明本实施方式。本实施方式是对实施方式四所述的基于石墨烯薄膜光纤微腔的光照强度探测装置的进一步限定，本实施方式中的太阳能板4的长度为20mm-80mm，宽度为20mm-80mm。

本实施方式限定了太阳能板4的大小范围，在实际应用中，太阳能板4的大小可以根据具体情况进行调整，以保证本发明的基于石墨烯薄膜光纤微腔的光照强度探测器可以测量较大面积光源的光强度，而不再局限于方向性非常强的小光斑激光光强的测量。

具体实施方式七、参见图1说明本实施方式。本实施方式是对实施方式一所述的基于石墨烯薄膜光纤微腔的光照强度探测装置的进一步限定，本实施方式中的DFB激光器1的中心波长在1300nm-1600nm，谱宽在0.01pm-0.1pm。

本实施方式限定了DFB激光器1的中心波长在1300nm-1600nm，谱宽在0.01pm-0.1pm。

下面结合图3描述用于制作本发明的传感头的制作方法。

(1)石墨烯的清洗：

由于石墨烯上的杂质离子能够很好地溶解在去离子水中，因此将石墨烯浸泡在去离子水中就能够起到很好的清洗效果。为了避免石墨烯样品在不同的液体之间进行转移的过程中发生破损，转移过程中可以利用载玻片将石墨烯下方的液体一同转移，石墨烯在转移过程中依旧漂浮在液体的表面上。

经过数次转移清洗之后，并置于干净的去离子水中24小时之后，被腐蚀掉铜箔的石墨烯样品上基本己经完全去除了杂质离子，满足了后续制备器件的要求。

(2)单模光纤与石英管熔接：

用光纤熔接机将单模光纤的一端与石英管的一端相熔接。其中，单模光纤的外径和石英管的外径相同，均为125μm，根据实际测量要求选取不同长度不同内径的石英管。本示例中，石英管的长度为50μm-200μm，石英管的内径为20μm-80μm，单模光纤的长度为50μm-200μm，单模光纤的内径为40μm-60μm。

(3)金属电极的制备：

在平面工艺中，电极的制备工艺是比较成熟的，一般利用光刻的方法，若要求更精密一些的话可能会使用到电子束曝光。而在本发明中所探讨的石英管端面上，由于面积太小，不太适合使用光刻掩膜板，也很难在石英管端面上涂覆一层均匀的光刻胶薄膜。因此必须开发出一套适用于在石英管端面上制备出金属电极的工艺流程。为此，我们使用了石蜡作为镀膜的掩膜。

石蜡是固态高级烷烃的混合物，通常是白色、无味的蜡状固体，在47℃-64℃熔化。利用石蜡在室温下是固态而稍稍加热即可变成液态，同时易溶于四氯化碳等有机溶剂的性质，可以实现在石英管上进行区域镀金的效果。

首先，利用胶带将腐蚀之后的石英管的一端固定在载玻片上，并将载玻片放置在温度保持在65℃的热台上，石英管的另一端已经与单模光纤的一端相熔接，而单模光纤的另一端则通过裸光纤适配器连接到红色激光笔上。由于石英管的芯层和光纤的芯层都是均匀的，所以通过石英管端面之后，在纸上的光斑是一个均匀的圆盘。然后，在载玻片上放置一小块石蜡，由于热台的温度高于石蜡的熔点，石蜡会慢慢熔化并在毛细力的作用下逐渐向石英管的端面扩散。当石蜡的液面高度高于石英管端面上小孔所在位置时，通过小孔的光斑形状会发生很大的变化，此时将载玻片从热台上拿下来，让石蜡进行冷却和凝固。

当石蜡凝固结束之后，石英管的部分侧面和部分端面（不包括小孔区域）向上裸露在空气中，而包括小孔在内的其余部分则被熔化后凝固的石蜡所保护。将带有石蜡和石英管的载玻片放入镀膜仪中就可以在石英管的裸露部分镀上金属电极。

在选择镀膜仪时也有一些问题需要在考虑之中。在这种应用场景中，由于金属膜需要有良好的导电性，因此会需要薄膜有一定的厚度，同时，在镀膜的过程中需要保证衬底的温度要低于石蜡的溶点。而常规的镀膜方式，例如电子束蒸发等方式，虽然得到的金属薄膜质量很好，但是镀膜的速率很慢，同时在镀膜的过程中，衬底也会有一定程度的升温。为了解决这个问题，我们使用了电镜制样过程中常用的磁控离子溅射仪进行金镀膜。当该溅射仪的工作电流设置在35mA时，其金镀膜速率达到25nm/min，镀膜四分钟即可达到接近100nm的厚度，这样厚度的金膜电阻已经降低到可以作为一个良好的导电电极了。

当镀金结束之后，石英管上未被石蜡覆盖的区域、石蜡表面以及载玻片上都均匀地镀上了一层厚度约为100nm的金膜。为了去除粘连在石英管上的石蜡，我们将整个载玻片连同石英管和石蜡均放入温度为65℃的四氯化碳溶液中。由于四氯化碳能够很好地溶解石蜡，因此经过十分钟的浸泡之后，石英管及载玻片上的石蜡完全溶解，石英管上包括小孔在内的之前被石蜡保护的部分也重新裸露出来，而之前裸露在空气中的部分则镀上了一层金，形成了金属电极。利用同样的方法也可以在石英管的另一个侧面制备电极，形成两个电极相对应的结构。

(4)石墨烯的转移：

经过前面三个步骤之后，石墨烯样品和带有金属电极的石英管样品已经准备完毕，等待进一步的转移过程。本发明的转移过程借鉴了前人的转移方法，即直接利用石英管与石墨烯之间的范德华力将二者粘连在一起。具体流程如下：

如图3所示，从ASE光源发出的光经过环形器，从环形器出来的光通过单模光纤的未与石英管熔接的一端输入传感头，从传感头反射回来的光再次经过环形器输入到光谱仪，以显示石英管端面的反射情况。在初始状态下，在光谱上不能看出谐振的现象。

将石英管样品端面朝下，固定在一个能够上下调节高度的调节架上；

将固定在调节架上的石英管移动到石墨烯所在液面的上方，此时由于石英管端面与液面形成了光纤微腔，在光谱仪上可以观察到谐振谱，但是石英管端面距离液面较远，此谐振谱的自由光谱程很小；

缓慢地降低石英管端面的高度，此时，光谱仪中显示的谐振谱自由光谱程逐渐变大，当自由光谱程数值上与之前测量小孔深度时的自由光谱程相等时，说明石英管端面己经接触到了含石墨烯的液面；

稍稍降低石英管端面的高度，使得石墨烯薄膜与石英管端面充分接触，并保持几秒钟，这样范德华力能够将石墨烯和石英管端面紧密地粘结在一起；

缓慢地提升石英管端面的高度，使其与漂浮着石墨烯的液面分离；

在显微镜下观察所制备的传感头的端面，确认石墨烯是否己经转移上去，并确认石墨烯薄膜的完整性。

将整个传感头放入干燥箱中，保持60℃的温度三个小时，以去除石墨烯和石英管表面上的水分，使得石墨烯与石英管端面之间的结合更加紧密、牢固。

经过以上4步，可制作出本发明所需的传感头，其结构如图2所示。

实验数据表明，采用以上方法制作的传感头能够满足不同灵敏度和不同量程光照强度的测量要求。

尽管根据有限数量的实施方式描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。

Claims (5)

1.一种基于石墨烯薄膜光纤微腔的光照强度探测器，其特征在于，所述光照强度探测器包括 DFB 激光器（1）、光纤耦合器（2）、传感头（3）、太阳能板（4）和光电探测器（5），其中：

所述传感头（3）由光纤微腔和金属电极（32）构成；

所述光纤微腔由石墨烯薄膜（311）、石英管（312）和单模光纤（313）构成，石英管（312）的一端与所述单模光纤（313）的一端相熔接，使得石英管（312）内部形成一个空腔，所述石墨烯薄膜（311）覆盖于石英管（312）的另一端，所述金属电极（32）的正极和负极通过所述石墨烯薄膜（311）相连接；

所述太阳能板（4）的一端通过导线与传感头（3）的金属电极（32）的正极相连接，所述太阳能板（4）的另一端通过导线与传感头（3）的金属电极（32）的负极相连接；

所述 DFB 激光器（1）发出的光信号经过光纤耦合器（2）后进入传感头（3），经传感头

（3）反射的光信号通过光纤耦合器（2）进入光电探测器（5）；

所述石墨烯薄膜（311）是预先通过对石墨烯进行清洗而获得的，所述清洗的过程包括：将石墨烯样品浸泡在去离子水中，在所述石墨烯样品的转移过程中，利用载玻片将石墨烯样品下方的液体一同转移，以使石墨烯样品在转移过程中依旧漂浮在液体的表面上；经过数次转移清洗之后，将石墨烯样品置于去离子水中 24 小时后，以将被腐蚀掉铜箔的石墨烯样品上的杂质离子去除；

所述光纤耦合器（2）为 1×2 光纤耦合器；

所述石英管（312）的长度为 50μm-200μm，内径为 20μm-80μm，外径为 125μm。

2.根据权利要求 1 所述的基于石墨烯薄膜光纤微腔的光照强度探测器，其特征在于，所述单模光纤（313）的长度为 50μm-200μm，内径为 40μm-60μm，外径为 125μm。

3.根据权利要求 1 所述的基于石墨烯薄膜光纤微腔的光照强度探测器，其特征在于，所述金属电极（32）的厚度在 80nm-200nm 之间。

4.根据权利要求 1 所述的基于石墨烯薄膜光纤微腔的光照强度探测器，其特征在于，所述太阳能板（4）的长度为 20mm-80mm，宽度为 20mm-80mm。

5.根据权利要求 1-4 中任一项所述的基于石墨烯薄膜光纤微腔的光照强度探测器，其特征在于，所述 DFB 激光器（1）的中心波长在 1300nm-1600nm，谱宽在 0.01pm-0.1pm。