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)作為傳感測量領(lǐng)域的一個重要分支,已經(jīng)成為國內(nèi)外科學(xué)研究的熱點技術(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)問題,同時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,實現(xiàn)高靈敏度、超短響應(yīng)時間的分子級探測和高效的

2、多參數(shù)同時測量。而石墨烯材料的出現(xiàn)對于增強(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,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)石墨烯的費米能級接近迪拉克點,因而可以支持TE偏振模式的表面波。
　　本論文通過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,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,通過檢測輸出光信號的強(qiáng)度變化可實現(xiàn)對生化氣體的傳感;而當(dāng)微光纖與石墨烯薄膜的接觸長度發(fā)生改變的時候,影響了倏逝波的傳輸模式,傳輸相位發(fā)生了變化,通過設(shè)計干涉型系統(tǒng)可以通過傳輸波長的漂移來確定混合波導(dǎo)的復(fù)折射率,從而可以實現(xiàn)石墨烯薄膜的復(fù)折射率傳感。
　　首先,本論文對于單層石墨烯薄膜以及微光纖的性質(zhì)進(jìn)行研究,通過對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)用分別展開了驗證性實驗,包括