[发明专利]基于氧化石墨烯增敏的光纤马赫-曾德尔干涉湿度传感器

权利要求书

1.一种基于氧化石墨烯增敏的光纤马赫-曾德尔干涉湿度传感器，其特征在于：包括入射光纤(1)、分束器(2)、干涉臂(3)、合束(5)器和出射光纤(6)；干涉臂(3)包括第一干涉臂(31)和第二干涉臂(32)；入射光纤(1)的输出端连接分束器(2)输入端，分束器(2)的两个输出端一一对应连接第一干涉臂(31)和第二干涉臂(32)的输入端，第一干涉臂(31)和第二干涉臂(32)的输出端一一对应连接合束器(5)的两个输入端，合束器(5)的输出端与出射光纤(6)的输入端连接；入射光纤(1)用于输入光信号，分束器(2)使得从入射光纤(1)中进来的光信号经过分束器(2)耦合到干涉臂(3)中，干涉臂(3)用于形成传输波导以筛选不同的光波传输模式，合束器(5)使得从干涉臂(3)中进来的光信号经过合束器(5)耦合到出射光纤(6)中，出射光纤(6)用于输出光信号，并将光信号传输到外接的光谱仪中。

2.根据权利要求1所述的基于氧化石墨烯增敏的光纤马赫-曾德尔干涉湿度传感器，其特征在于：所述入射光纤(1)由单模光纤构成，输入端连接外接的宽带光源，将宽带光源的输出光由单模光纤中的纤芯传输进来。

3.根据权利要求1所述的基于氧化石墨烯增敏的光纤马赫-曾德尔干涉湿度传感器，其特征在于：所述的分束器(2)结构与合束器(5)结构相同，均由无芯光纤构成。

4.根据权利要求1所述的基于氧化石墨烯增敏的光纤马赫-曾德尔干涉湿度传感器，其特征在于：所述干涉臂(3)由少模光纤构成，包括第一干涉臂(31)和第二干涉臂(32)；其中，第一干涉臂(31)由少模光纤中的包层组成，第二干涉臂(32)由少模光纤中的纤芯组成；第一干涉臂与第二干涉臂长度相等。

5.根据权利要求4所述的基于氧化石墨烯增敏的光纤马赫-曾德尔干涉湿度传感器，其特征在于：少模光纤的部分包层经过氢氟酸溶液化学腐蚀厚度减小增加倏逝波泄漏，并在锥形光纤区域的光纤表面涂覆氧化石墨烯薄膜(4)。

6.根据权利要求1所述的基于氧化石墨烯增敏的光纤马赫-曾德尔干涉湿度传感器，其特征在于：所述出射光纤(6)由单模光纤构成，输出端连接外接的光谱仪获得含有传感信息的干涉光谱。

7.根据权利要求1所述的基于氧化石墨烯增敏的光纤马赫-曾德尔干涉湿度传感器，其特征在于：所述分束器(2)为直径125μm、长度10mm的无芯光纤；所述合束器(5)为直径125μm、长度10mm的无芯光纤。

8.根据权利要求5所述的基于氧化石墨烯增敏的光纤马赫-曾德尔干涉湿度传感器，其特征在于：所述干涉臂(3)由长度为30mm、直径125μm的少模光纤组成，所述干涉臂(3)少模光纤使用氢氟酸溶液腐蚀掉少模光纤的部分包层，处理后的少模光纤直径为100μm。

9.根据权利要求5所述的基于氧化石墨烯增敏的光纤马赫-曾德尔干涉湿度传感器，其特征在于：传感器输出强度和相位差如下：

I_core和I_cladding分别是第一干涉臂31和第二干涉臂32中的光强度，I是输出强度；L是干涉臂3的长度，Δn_eff是干涉臂3的芯层和包层之间的有效折射率差；λ是光的波长；是相位差，等式中的等于(2k+1)π，k阶模式干涉输出谱的波谷波长表示为:

从等式(3)中知道当Δn_eff变化时，透射谱波谷的波长将发生偏移。

10.根据权利要求5所述的基于氧化石墨烯增敏的光纤马赫-曾德尔干涉湿度传感器，其特征在于：氧化石墨烯薄膜的有效折射率对化学势μ_c的变化敏感，电导率σ和氧化石墨烯的μ_c之间的关系通过以下等式计算：

其中e是电子的电荷，k_B是玻尔兹曼常数，T是环境温度，而是普朗克常数，ω，Γ分别代表传输光圆频率、散射率，j为虚单位；大量的电荷转移将不可避免地导致氧化石墨烯的电导率的变化，进而导致氧化石墨烯本身的有效折射率的变化；紧密附着在光纤表面上的氧化石墨烯和光纤看作是混合波导，因此光纤的有效折射率会受到影响；一系列变化最终反映了光纤干涉光谱的可见实时的波长漂移。