基于多层石墨烯膜的光纤法布里-珀罗声学传感器外文翻译资料

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基于多层石墨烯膜的光纤法布里-珀罗声学传感器

Jun Ma, Haifeng Xuan, Hoi Lut Ho, Wei Jin, Yuanhong Yang, and Shangchun Fan

摘要：本文提出一种100nm厚的多层石墨烯膜光纤法布里-珀罗声传感器。声学测试表明压力引起1100nm / kPa的挠曲和噪声等效声信号电平在10kHz的频率下为〜60mu;Pa/ 。 传感器的频率响应为0.2至22 kHz，可用于高灵敏度的声学传感。

关键词: 声学传感，法布里 - 珀罗，多层石墨烯，光纤传感器

1引言

光纤干涉仪由于大量优势例如高灵敏度，免疫力电磁干扰（EMI）和远程检测复用能力^[1]，已经被广泛研究用于压力和声学检测。与Mach-Zehnder和Michelson干涉仪相比，光纤尖端法布里 - 珀罗干涉仪（FPI）形成在裂开的光纤端和反射之间，膜片已经表现出高灵敏度而不需要长的光纤^[2]。法布里-珀罗压力、声学干涉仪具有不同的膜片材料已经被研究了并且压力灵敏度已经用更薄的具有合理尺寸^[2-4]的膜片来精确改善。最近，少层的石墨烯膜具有有序的纳米厚度用在作纤维尖端的可偏转隔膜是因为FPI传感器和39.2nm / kPa的压力灵敏度展示了直径仅为25mu;m的隔膜^[5]。石墨烯的超小厚度可以显著提高FPI传感器的压力灵敏度。此外，石墨烯具有比二氧化硅高得多的机械强度并能承受高达2.5 MPa的静压。压力灵敏度可以通过增加膜片的直径而进一步增强^[2]。

在此次报告中，我们报告了用125mu;m制成的纤维尖端FPI直径多层石墨烯膜厚度为〜100nm。在此使用多层石墨烯而不是几层石墨烯，因为目前在制备和制备中转移大直径纳米厚石墨烯膜光纤端面存在困难。动态（声学）压力试验表明膜片具有压力敏感性（压力感应膜片偏转）高达1100 nm / kPa，以及传感器可以检测到小至60mu;Pa/ Hz^{1 / 2} 的声信号10 kHz，具有相对均匀的频率响应0.2〜22kHz。

图1（a）FPI配置示意图：直径125mu;m其中插入有单模光纤的氧化锆套圈和石墨烯覆盖其端面的隔膜，（b）制造的FPI的照片; 显微镜套圈端面的图像，（c）是覆盖石墨烯薄膜前以及（d）是覆盖后

2 传感器制造和中断

图1（a）是包括的传感器头的示意图的氧化锆套管，标准单模光纤（SMF）和多层石墨烯膜。SMF被切割并插入内径为125mu;m的套圈中，以及光纤端和套圈之间的间隔端面通过使用高分辨率转换阶段来控制。套圈和SMF通过可固化凝胶固定在一起。石墨烯膜片由一个

石墨烯/镍（Ni）/石墨烯样品中石墨烯生长平均厚度为100nm的薄膜在25mu;m厚的Ni上进行化学气相沉积（CVD）箔。分离石墨烯膜和从Ni箔转移到套圈端面的过程类似于[5]中的过程。区别在于石墨烯膜在一侧石墨烯/ Ni /石墨烯样品在放入之前抛光转化为氯化铁（FeCl ₃）溶液以蚀刻Ni箔脱离.图1（b）展示出FPI传感器头的照片。图1（c）和1（d）分别展示出了显微镜图像在其覆盖有石墨烯膜片之前和之后的套圈端面。通过范德华相互作用，石墨烯膜被卡在套圈端面。在切割的光纤端的反射表面和石墨烯膜形成低精度FPI，以及偏转可以通过查询FPI来确定在[8]中描述的反射模式。图2示出了一个典型的通过使用宽带源测量的反射光谱与具有0.01nm的光谱分析仪组合解析度。腔长，即光纤端和光圈之间的间隙L，然后可以用L =lambda;1lambda;2/ 2（lambda;1-lambda;2）测量光谱，其中lambda;1和lambda;2是干扰的相邻峰/ 谷波长光谱。

图2 多层石墨烯膜片FPI的干涉光谱

图3 （a）具有不同腔长度的FPI的测量反射光谱；（b）石墨烯振膜在1550nm处的计算反射率作为一个函数的石墨烯膜片厚度^[9]。

条纹的对比度由纤维端和石墨烯膜片的反射率确定。切割的光纤端部的反射率在插入套圈之前测量，并且发现为3.0％。因为光纤端部的腔长度和反射率都是已知的, 然后可以通过曲线拟合干涉光谱来确定石墨烯膜的反射率。图3（a）示出了当使用平移台移动光纤端时具有不同腔长度的FPI的测量的干涉光谱。红线是来自光纤端的反射，其在插入套圈之前和之后没有变化。 当光纤端足够接近光阑表面时记录干涉条纹。 如所预期的，条纹间距和平均反射强度^[7]即，图1中的DC电平 3（a）]当光纤端部移动更靠近隔膜时增加。平均强度的增加是由于来自耦合回到SMF中的光阑的反射光的增加的光级。通过曲线拟合图10中的蓝色曲线。 如图3（a）所示，100nm厚的石墨烯膜片的反射率被确定为〜31％，比图 3（b）小 。 如图3（b）所示，假定石墨烯的复数折射率为3.45-j * 2.32 ^[10]。 较小的测量反射率的原因可能是由于膜片的变形。 如图1所示。 如图1（d）所示，光阑不是完全平坦的，这倾向于降低耦合回SMF的光级。

为了证明基于石墨烯膜的FPI作为高度敏感的声学传感器的潜力，我们用其反射光谱测试样品，如图1所示。实验装置如图1所示。声信号由信号发生器驱动的扬声器产生。 FPI和校准麦克风（B＆K4189）位于扬声器中心轴的两个对称点。波长的可调谐激光器被调谐到干涉条纹的正交（Q）点以使声灵敏度最大化^[11]。通过光循环器的FPI的反射光由光电检测器（PD）检测，同时来自校准麦克风的信号通过调节放大器。来自PD和调节放大器的电输出由实时电频谱分析器或锁定放大器接受。在声学测试期间，FPI，校准麦克风和扬声器被放置在声学隔离箱内。

图4 声压实验测量装置示意图 PD的通带设置为10 Hz至30 kHz

3对声压的响应

图5（a）示出了在10kHz的频率下在不同声压级下由锁定放大器检测的FPI的输出电压信号。 锁定放大器设置为100 ms时间常数，18 dB /倍频程滚降。 FPI的声压灵敏度估计为13.15 mV / Pa.在两个波束干扰的近似值下，输出电压Vac和压力引起的偏转可能由^[11]

其中，由PD决定，I是在Q点处的光功率，并且

图5 (a)在10kHz时应用了变化声压后FPI输出的压力信号.(b)FPI频率响应

是归一化的强度变化对光阑偏转的斜率。R1和R2分别是纤维端/空气界面和石墨烯膜片的反射率。通过曲线填充图2中的光谱，R1和R2分别为1.7％和0.5％。反射率的较小值可能是由于光纤端的不完全裂开和在FPI腔中发生的传输损耗。然后可以使用公式（2）计算斜率Smax为0.15times;10^-3 / nm，这类似于从图1中的干涉光谱直接估计的斜率。在我们的实验中，I0 = 0.8mW， = 105V / W。 通过使用等式1计算声信号下的FPI的膜片偏差为1.1nm / Pa。对于边缘固定的圆形板[11]，膜片对压力（Delta;P）的偏转（Delta;L）可以表示为

其中D和t分别是直径和厚度，v和E分别是膜片的泊松比和杨氏模量。对于石墨烯，v =0.17，E = 1 TPa ^[5]。对于厚度t = 100nm和直径D =125mu;m的隔膜，根据压力感应偏转的压力灵敏度计算为2.86nm / Pa。较低的测量灵敏度可能部分是由于在石墨烯转移过程期间引入的隔膜变形/应力，并且需要进一步研究以理解其背后的物理学^[12]。

图5（b）示出了从0.2到22kHz的FPI的频率响应，其在该频率范围上相对均匀。扬声器产生的声压在不同频率下由麦克风校准。观察到的小波纹可能是由于入射声波和由FPI和麦克风反射的声波的干扰^[4]。在夹紧圆板的假设下，石墨烯膜片的基本谐振频率f₀₀可以表示为^[11]

：

对于厚度t = 100nm和半径r =62.5mu;m的石墨烯膜（质量密度rho;= 2.2times;103kg / m ³），其共振频率计算为259.84kHz。为了真实地响应声学信号，传感器的最大工作频率应该显着小于膜片的谐振频率^[2]。

图6（a）示出了当施加10kHz的声压400mPa时，用实时电光谱分析仪测量的FPI的功率谱。对于50 Hz分辨率带宽，本底噪声约为-91 dBm。对于400mPa的声压，FPI的输出显示57.5dB的信噪比（SNR），对应于75mu;Pa/ Hz^1 / 2的噪声限制的最小可检测压力水平。图6（b）示出了在10kHz下不同的施加压力水平的对于2mPa的压力，来自FPI的输出电压为0.037mV，并且没有声信号的噪声的标准导数为0.0011mV。然后可以计算最小可检测压力为59.5mu;Pa/ Hz 1/2，这类似于在图6(a)中估计值的方法。这个值不如具有B＆K4189的麦克风好（〜8mu;Pa/ Hz1 / 2），但是FPI具有尺寸小得多，较好的远程检测能力和EMI抗扰性的优点。

在获得图1所示的结果时，应当指出在图5和图6中，传感器头与扬声器的中心轴对准，因此实现了最大灵敏度。同时还研究了传感器的方向性，并且在图7中示出针对各种对准角度的归一化的声学灵敏度。

图6 (a)10kHz时施加声压为400mPa时的FPI输出功率频谱。（b）10kHz时施加声压是0.2,4mPa时的FPI输出电压。

图7 FPI的归一化声学灵敏度与不同的对准角。 插图：显示传感器头之间对准角度的示意图

和扬声器。

4结论

通过使用多层石墨烯膜作为敏感膜来构建高灵敏度的纤维端声学传感器。该传感器显示出1100nm / kPa的动态（声）压力灵敏度，这是迄今为止我们所知的最高的。还实现了在10kHz下约60mu;Pa/ Hz1 / 2的噪声限制的最小可检测压力水平。这种纤维尖端传感器可以在用在基于光声光谱的超灵敏气体检测的高灵敏度水听器和麦克风中。

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