[发明专利]石墨烯光子晶体光纤气体传感器的制作方法、气体传感器及硫化氢气体浓度检测方法

说明书

本发明公开了一种石墨烯光子晶体光纤气体传感器的制作方法、气体传感器及硫化氢气体浓度检测方法，先获取一根光子晶体光纤和两根单模光纤，然后利用光纤熔融拉锥机将两根单模光纤分别熔接在光子晶体光纤的两端并同时对熔接处进行拉锥处理，最后再将熔接好的光子晶体光纤部段外表面涂覆一层石墨烯纳米涂层。本发明中的气体传感器制作容易，制作成本低，在加工过程中不易损坏，制作出来的气体传感器探测灵敏度高，响应时间快，还具有体积小、重量轻的优点。

技术领域

本发明涉及一种气体传感领域，具体涉及一种石墨烯光子晶体光纤气体传感器的制作方法、气体传感器及硫化氢气体浓度检测方法。

背景技术

硫化氢在自然界广泛存在，是大气的主要污染物之一，它可以在细菌分解有机物的过程中产生，也可以产生于天然气净化、石油炼制，同时也是制煤气、制革、制药、造纸、合成化学纤维等生产过程中的副产物。它也是一种急性神经剧毒气体，吸入少量高浓度硫化氢可短时间内致命。硫化氢的安全临界浓度值为10ppm(百万分比浓度)，致死浓度为500ppm，一般高于1000ppm就可以直接达到麻痹呼吸中枢而立即引起窒息，产生类似于电击伤而导致死亡。当硫化氢达到2000ppm时，只吸一口就可死亡。它不仅严重危害人体健康，还会严重腐蚀暴露于其环境中的设备等。目前，有70多种职业有机会接触硫化氢，有关作业工人中毒的报道十分常见。在我国，硫化氢中毒占职业性急性中毒的第二位，仅次于一氧化碳中毒。而硫化氢急性中毒导致的死亡率位列职业中毒的第一位。

传感器技术是现代信息技术的重要支柱，是国际上发展最快的高新技术与产业之一，具有广泛的应用。其中，气敏传感技术在非法药物检查、化学细菌武器的防御、各种易燃易爆、有毒有害气体的泄漏报警和空气质量监控等方面，有重要的应用。同时，伴随着微电子、自动化、计算机等学科的发展，气敏传感器要求朝着小型化、集成化、多功能化的方向发展，即微结构气敏传感器(也称光子晶体光纤气敏传感器)。目前国内外的研究，也正从传统的烧结型、厚膜型转向半导体薄膜型。烧结型和厚膜型是将敏感材料浆体涂抹于陶瓷管或压印于陶瓷基片上，所制成的器件特征尺寸常常在百微米到毫米量级，材料的微观结构在加工过程容易损坏，导致器件的一致性和重复性较差，另外在针对硫化氢气体的检测中也会出现对气体的探测灵敏度低，响应时间慢的问题。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种制作容易，制作成本低，在加工过程中不易损坏，制作出来的气体传感器探测灵敏度高，响应时间快的石墨烯光子晶体光纤气体传感器的制作方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种石墨烯光子晶体光纤气体传感器的制作方法，其特征在于：先获取一根光子晶体光纤和两根单模光纤，然后利用光纤熔融拉锥机将两根单模光纤分别熔接在光子晶体光纤的两端并同时对熔接处进行拉锥处理，最后再将熔接好的光子晶体光纤部段外表面涂覆一层石墨烯纳米涂层。

光从输入端单模光纤进入，在经过第一个熔接点后，一部分光耦合至光子晶体光纤的纤芯中以纤芯模式传输，另一部分光耦合至光子晶体光纤的包层中以包层模式继续传输。光子晶体光纤经拉锥处理后其横截面结构按比例缩小，因此，随着光子晶体光纤与单模光纤锥形区域逐渐变细，纤芯模式逐渐向包层模式耦合过渡。这一过程中，光子晶体光纤中的纤芯模式和包层模式的传播常数不同，在传输距离L后，两种模式之间会存在相位延迟。最终，当两部分光传输到第二个熔接点时，传感区域的包层模式与在光子晶体光纤纤芯中传输的纤芯模式在输出单模光纤中发生干涉。因此，发生干涉的两种模式的相位延迟及干涉的中心波长分别表示为：