石墨烯-微光纖混合波導(dǎo)偏振特性及其傳感應(yīng)用研究.pdf

1、光纖傳感技術(shù)作為傳感測(cè)量領(lǐng)域的一個(gè)重要分支,已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外科學(xué)研究的熱點(diǎn)技術(shù)之一。特別是在生物醫(yī)學(xué)、精密化工、航空航天和環(huán)境監(jiān)控等對(duì)于傳感精度和響應(yīng)速度要求極高的領(lǐng)域,抗電磁干擾和具有分子級(jí)靈敏度的光學(xué)微量傳感技術(shù)已經(jīng)成為了迫切需要解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題,同時(shí)也面臨著巨大的挑戰(zhàn)。
　　基于表面波增強(qiáng)的微納光纖傳感器作為光學(xué)微納傳感器件發(fā)展的重要方向之一,可以極大地提升光學(xué)生化傳感器的性能,實(shí)現(xiàn)高靈敏度、超短響應(yīng)時(shí)間的分子級(jí)探測(cè)和高效的

2、多參數(shù)同時(shí)測(cè)量。而石墨烯材料的出現(xiàn)對(duì)于增強(qiáng)微光纖波導(dǎo)線的光表面波、控制其偏振態(tài)并實(shí)現(xiàn)高靈敏度的光學(xué)傳感,提供了一種全新的研究方法。石墨烯作為一種超薄波導(dǎo)結(jié)構(gòu)時(shí),具有各向異性的傳播常數(shù),其內(nèi)部能態(tài)的不同直接導(dǎo)致截然不同的特性。本征態(tài)石墨烯的費(fèi)米能級(jí)接近迪拉克點(diǎn),因而可以支持TE偏振模式的表面波。
　　本論文通過(guò)微光纖與石墨烯薄膜的結(jié)合,將倏逝波耦合進(jìn)入石墨烯薄膜表面并傳輸,當(dāng)氣體分子與石墨烯材料接觸時(shí),石墨烯-微光纖混合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的有

3、效復(fù)折射率被改變,從而引起傳輸表面波偏振相關(guān)的衰減,通過(guò)檢測(cè)輸出光信號(hào)的強(qiáng)度變化可實(shí)現(xiàn)對(duì)生化氣體的傳感;而當(dāng)微光纖與石墨烯薄膜的接觸長(zhǎng)度發(fā)生改變的時(shí)候,影響了倏逝波的傳輸模式,傳輸相位發(fā)生了變化,通過(guò)設(shè)計(jì)干涉型系統(tǒng)可以通過(guò)傳輸波長(zhǎng)的漂移來(lái)確定混合波導(dǎo)的復(fù)折射率,從而可以實(shí)現(xiàn)石墨烯薄膜的復(fù)折射率傳感。
　　首先,本論文對(duì)于單層石墨烯薄膜以及微光纖的性質(zhì)進(jìn)行研究,通過(guò)對(duì)石墨烯和微光纖這兩種波導(dǎo)的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)進(jìn)行理論和仿真上的介紹,為

4、石墨烯-微光纖混合波導(dǎo)的整體性質(zhì)研究奠定了理論基礎(chǔ),然后對(duì)于石墨烯-微光纖混合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的偏振特性進(jìn)行研究,根據(jù)單層石墨烯薄膜與微光纖的結(jié)合方式,探究了石墨烯-微光纖貼附型混合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的偏振原理及其傳感特性。
　　其次,本論文對(duì)于單層石墨烯薄膜的制備和表征方法以及微光纖的拉制工藝進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明,為石墨烯-微光纖混合波導(dǎo)的制作工藝提供了參考。
　　最后,本論文根據(jù)石墨烯-微光纖混合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的不同傳感應(yīng)用分別展開(kāi)了驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),包括