石墨烯-微光纤混合波导偏振特性及其传感应用研究

摘要

光纤传感技术作为传感测量领域的一个重要分支,已经成为国内外科学研究的热点技术之一。特别是在生物医学、精密化工、航空航天和环境监控等对于传感精度和响应速度要求极高的领域,抗电磁干扰和具有分子级灵敏度的光学微量传感技术已经成为了迫切需要解决的关键科学问题,同时也面临着巨大的挑战。
　　基于表面波增强的微纳光纤传感器作为光学微纳传感器件发展的重要方向之一,可以极大地提升光学生化传感器的性能,实现高灵敏度、超短响应时间的分子级探测和高效的多参数同时测量。而石墨烯材料的出现对于增强微光纤波导线的光表面波、控制其偏振态并实现高灵敏度的光学传感,提供了一种全新的研究方法。石墨烯作为一种超薄波导结构时,具有各向异性的传播常数,其内部能态的不同直接导致截然不同的特性。本征态石墨烯的费米能级接近迪拉克点,因而可以支持TE偏振模式的表面波。
　　本论文通过微光纤与石墨烯薄膜的结合,将倏逝波耦合进入石墨烯薄膜表面并传输,当气体分子与石墨烯材料接触时,石墨烯-微光纤混合波导结构的有效复折射率被改变,从而引起传输表面波偏振相关的衰减,通过检测输出光信号的强度变化可实现对生化气体的传感;而当微光纤与石墨烯薄膜的接触长度发生改变的时候,影响了倏逝波的传输模式,传输相位发生了变化,通过设计干涉型系统可以通过传输波长的漂移来确定混合波导的复折射率,从而可以实现石墨烯薄膜的复折射率传感。
　　首先,本论文对于单层石墨烯薄膜以及微光纤的性质进行研究,通过对石墨烯和微光纤这两种波导的光学和电学性质进行理论和仿真上的介绍,为石墨烯-微光纤混合波导的整体性质研究奠定了理论基础,然后对于石墨烯-微光纤混合波导结构的偏振特性进行研究,根据单层石墨烯薄膜与微光纤的结合方式,探究了石墨烯-微光纤贴附型混合波导结构的偏振原理及其传感特性。
　　其次,本论文对于单层石墨烯薄膜的制备和表征方法以及微光纤的拉制工艺进行了详细说明,为石墨烯-微光纤混合波导的制作工艺提供了参考。
　　最后,本论文根据石墨烯-微光纤混合波导结构的不同传感应用分别展开了验证性实验,包括石墨烯-微光纤混合波导的气体传感实验和石墨烯-微光纤混合波导的复折射率传感实验。通过实验验证了石墨烯-微光纤混合波导的偏振控制特性及其传感应用的有效性,证明了石墨烯-微光纤混合波导可以实现对生化气体的高灵敏度、超短响应时间的分子级传感,并实现了将石墨烯作为一种波导结构时对其复折射率的测量。

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主要符号表

第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 国内外研究动态

1.3 本课题意义及主要内容

第二章 石墨烯-微光纤混合波导的偏振特性研究

2.1 单层石墨烯薄膜的光学和电学性质

2.2 微光纤的传光原理与性质

2.3 石墨烯-微光纤混合波导的偏振控制原理

2.4 石墨烯-微光纤混合波导的传感特性

2.5 本章小结

第三章 石墨烯及微光纤的制备工艺研究

3.1 单层石墨烯薄膜的制备工艺研究

3.2 微光纤的制备工艺研究

3.3 本章小结

第四章 石墨烯-微光纤混合波导的传感应用研究

4.1 石墨烯-微光纤混合波导的生化气体传感实验

4.2 石墨烯-微光纤混合波导的折射率传感实验

4.3 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 全文总结

5.2 本研究课题的未来展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果