基于化学气相沉积方法的石墨烯-光子晶体光纤的制备研究

本文利用常压化学气相沉积方法,在光子晶体光纤内孔壁上直接生长石墨烯薄膜,实现了石墨烯-光纤复合材料的直接制备.研究发现光纤中石墨烯层数和缺陷主要受生长温度、生长时间以及甲烷流量等参数影响.拉曼光谱和扫描电子显微镜等表征结果表明:石墨烯在光子晶体光纤孔内的生长均匀性良好,适当的高温、较长的生长时间以及合适的甲烷流量有利于生长高质量的石墨烯.石墨烯-光子晶体光纤复合材料的制备,对基于光纤平台的石墨烯光电器件的研究、开发和应用有着重要的推动作用,也为石墨烯全光纤集成应用提供了新的思路.

石墨烯包层结构光子晶体光纤的高双折射特性

将PG玻璃材料制作成的椭圆纤芯引入光子晶体光纤中心,设计了一种石墨烯包层结构的高双折射光子晶体光纤.基于有限元法对该光纤的双折射特性进行了数值模拟,研究了光纤孔径比、孔间距和纤芯椭圆对双折射特性的影响,并以该光子晶体光纤的模场面积和限制性损耗为依据进行了优化.研究结果表明:在波长1 550nm处,光纤双折射率高达0.13,满足高双折射要求;两偏振方向模场面积小于0.7μm2,限制性损耗低于10-6 dB/km.该光纤可有效保持光在传输系统中的偏振状态,为高稳定性超连续谱的产生提供依据.

基于拉曼光谱的光子晶体光纤孔内生长石墨烯层数控制方法的研究

石墨烯和光子晶体光纤(PCF)都拥有良好的光学特性,但是通过湿法转移只能将石墨烯薄膜转移/涂覆在光纤表面或端面,内部的空气孔因为直径太小无法转移。因此,利用化学气相沉积法(CVD)将碳源分解为碳原子,使其在光纤空气孔中形成形核点,在PCF内孔生长石墨烯薄膜。重点研究了通过控制生长条件,使石墨烯直接在光子晶体光纤空气孔中生长出完整的石墨烯薄膜并且层数可控的技术。通过扫描电镜表征生长后的石墨烯,可以清楚的看到石墨烯薄膜的存在并且与光子晶体光纤空气孔紧密结合在一起,形成石墨烯光纤材料;通过拉曼光谱表征生长后的石墨烯,可以看到石墨烯3个特征峰均存在。改变生长条件比如:温度、生长时间、甲烷气体浓度等发现光子晶体光纤空气孔中的石墨烯D峰与G峰的比值明显减小,有效降低了石墨烯的缺陷。结果表明生长时间对石墨烯缺陷降低最为有效, D峰与G峰的比值可以降到0.5左右。生长时间为5 h时石墨烯生长层数为双层,通过延长生长时间可以继续降低石墨烯的缺陷程度和增加石墨烯的层数;温度可以快速分解甲烷进而增加碳原子的形核点,加快石墨烯薄膜的形成,但是过高的温度会对石墨烯产生较大的缺陷,在1 050℃之后D峰与G峰的比值不再快速降低。研究表明石墨烯层数则因为碳原子形核点的增多而不断变厚;甲烷浓度的增加,导致气体流速加快,而空气孔直径太小受到流速影响较大,导致空气孔内石墨烯的层数波动式增大。此研究为后续设计基于石墨烯光纤的器件、探究石墨烯光纤在光学的应用提供了基础。

石墨烯三缺陷光子晶体滤波特性分析

为了优化信息光电子技术中传统滤波器的材料性能,设计了一种含石墨烯缺陷的一维光子晶体。利用新的传输矩阵推导了其光学特性,讨论了结构周期数、光入射角、介质层光学厚度等参数对透射谱的影响。仿真结果表明:石墨烯的加入对可见光有一定的吸收作用,使透射峰的高度降低;入射角增大时,透射谱中的透射峰发生蓝移;两介质层的光学厚度同时增大时,三个透射峰高度不变整体发生红移,透射峰的半高宽度随外层周期数的增大而变小,透射峰的位置随内层周期数的增大相互靠近;为三通道光子晶体滤波器的设计提供一定的理论指导。

基于石墨烯光子晶体光纤的流体传感器

与传统的传感器设备阵列相比,由于结构更为简单,具有广泛检测兼容性的光纤系统逐渐成为分布式监测的有力候选者。然而,受工作机制的限制,大多数光纤传感器仍局限于对折射率等物理参数进行探测,一种用于环境化学监测的全光纤分布式传感系统亟待研发。本工作中,我们向化学气相沉积法生长的石墨烯光子晶体光纤(Gr-PCF)中引入了一种化学传感机制。初步结果表明,石墨烯光子晶体光纤可以选择性地检测浓度为ppb级的二氧化氮气体,并在液体中表现出离子敏感性。石墨烯光子晶体光纤与光纤通信系统的波分、时分复用技术结合后,将为实现分布式光学传感环境问题提供巨大的潜力和机会。

基于石墨烯涂覆光子晶体光纤的折射率传感器

碳基材料聚合物拥有增强光纤传感器传感特性的潜力。将碳基材料与光子晶体光纤(PCF)相结合,先将剥除涂覆层的PCF两端与同样剥去涂覆层的单模光纤(SMF)熔接在一起,然后在结构表面涂覆石墨烯层,形成一个基于PCF的马赫-曾德尔干涉仪(MZI)。实验证明,在基于PCF的干涉仪传感器表面涂覆石墨烯材料能够提升传感器的折射率灵敏度。

基于铜离子沉积石墨烯涂层锥形光子晶体光纤的硫化氢传感器

提出一种基于铜沉积石墨烯涂层光子晶体光纤马赫-曾德干涉的硫化氢气敏传感器.将45mm光子晶体光纤两端与单模光纤进行拉锥熔接,使得光子晶体光纤的空气孔熔接时形成塌陷层,更好地激发包层模式,形成基于马赫-曾德结构的干涉仪.采用单层石墨烯粉体,加入异丙醇分散液,反复浸涂至光子晶体光纤包层表面形成石墨烯涂层,并沉积铜纳米颗粒,使传感器对硫化氢气体具有高的响应度.实验结果表明,在硫化氢气体浓度为0~60ppm范围内,随着被测气体浓度不断增大,其输出光谱呈现明显蓝移,传感器灵敏度为0.042 03nm/ppm,且线性度良好.该传感器成本低、灵敏度高、结构简单,适用于低浓度硫化氢气体的在线监测.

基于纳米铜/石墨烯包覆光子晶体光纤的硫化氢气体传感性能研究

提出一种基于纳米铜/石墨烯包覆光子晶体光纤的硫化氢传感方法.将两根单模光纤分别与实心光子晶体光纤进行粗锥熔接,形成马赫-曾德干涉结构.先在光子晶体光纤表面包覆石墨烯薄膜,再在石墨烯薄膜的表面沉积纳米铜形成复合敏感薄.当复合敏感薄膜吸附硫化氢气体时,其自身折射率发生改变,导致光子晶体光纤中纤芯与包层的光程差发生变化,干涉波谷发生偏移.建立气体浓度与波长偏移关系,实现硫化氢的低浓度检测.研究表明:该传感器的灵敏度为8.5pm/ppm,检测限为3.85ppm,在硫化氢浓度为0～80ppm范围内呈现良好的线性和选择性,其输出光谱呈现蓝移,响应时间和恢复时间分别约为92s和119s.该传感器成本低、结构简单、制作容易,有望应用于硫化氢气体的探测.

金属-石墨烯光子晶体-金属结构的吸收特性

金属-石墨烯光子晶体-金属复合结构可实现多带吸收。为了解该复合结构的吸收特性,采用传输矩阵法,研究了可见光波段结构参量对其多带吸收特性的影响。结果表明,各吸收带的中心波长与石墨烯化学势的大小无关;吸收带的个数与石墨烯光子晶体周期单元个数及电介质层的光学厚度有关;周期单元数越大,介质层光学厚度越大,吸收带的个数就越多;两金属层的厚度对吸收特性的影响存在差异,要使光吸收率尽可能高,衬底一侧的金属层要尽可能厚,入射空间一侧的金属层的厚度则存在一个最优值;垂直入射时合理选择相关参量,各主要吸收峰可有90%以上的吸收率。此研究结果为研制基于石墨烯的多带光吸收器提供了参考。

金属-石墨烯光子晶体复合结构多带光吸收器设计中金属材料的选择

研究表明,具有金属-石墨烯光子晶体-金属结构的光吸收器可实现多带吸收。这种光吸收器是在由石墨烯和介质材料构成的石墨烯光子晶体两侧加载金属层构成。所加载的金属材料的光学特性对多带吸收特性具有很大的影响。采用金属介电常数的Drude-Lorentz色散模型和传输矩阵法,比较分析了七种金属材料在可见光波段对光吸收器多带吸收特性的影响。发现金属银适合做光吸收器入射空间一侧的金属层材料,而金属铝、银、金和铜适合做衬底层材料。进一步的计算发现,只使用银做加载金属材料可实现一致性好、制作容差大、吸收带宽窄的多带光吸收器。研究结果对实际多带光吸收器的设计提供了参考。

基于石墨烯一维太赫兹光子晶体电磁特性研究

采用时域有限差分(Finite Difference Time Domain FDTD)和表面边界条件对单层石墨烯的太赫兹电磁特性进行研究.首先计算了其反射和透射系数,并与解析解对比验证了该理论的正确性.接着研究了一维光子晶体表面石墨烯在太赫兹光谱范围的吸收.通过改变模型中石墨烯的位置,得到了一维石墨烯吸收特性与石墨烯位置的关系.结果表明:当石墨烯位于光子晶体表面时,由于石墨烯和间隔层在光子晶体表面构成了表面缺陷,从而导致光的局域化,这种局域化增强了石墨烯对太赫兹范围光的吸收.

1维石墨烯光子晶体的电磁吸收特性

为了研究1维石墨烯光子晶体在可见光波段的吸收特性,采用传输矩阵的方法进行了理论分析和数值仿真,得到了1维石墨烯吸收特性与石墨烯层数、缺陷层介质厚度、电磁波模式有关的结果。结果表明,增加石墨烯层数时,对波长为556nm左右的绿光的吸收作用明显增强;缺陷层介质厚度增加时会引起吸收峰的增加;在TE模式下,入射角对石墨烯光子晶体吸收特性影响较小。该研究结果为1维石墨烯光子晶体吸收器的设计提供了理论依据。

2.5THz环烯烃聚合物中空芯光子晶体光纤设计与实验

采用全矢量有限元法,仿真设计了一种工作在2.5THz频段的中空芯太赫兹光子晶体光纤,用环烯烃聚合物材料(COC)制备了光纤样品,利用CO2激光泵浦气体太赫兹源搭建了测试平台并对光纤的太赫兹波传输性能进行了测试。实测光纤最低损耗0.17dB/cm、平均损耗约0.5dB/cm,在弯曲90°情况下光纤传输损耗波动小于5%,具有良好的可弯曲性;光纤输出端口的模场分布测试结果表明,光纤是以主模进行传输,太赫兹能量很好地被束缚在光纤芯中。

对称纤芯-包层光子晶体光纤的耦合特性

提出了一种新型对称纤芯-包层结构的光子晶体光纤,其截面由两组沿截面中心完全对称的纤芯-包层结构组成。对一组纤芯-包层结构的所有空气孔进行填充乙醇液体,利用填充液折射率的温度敏感性,来调制两纤芯之间的耦合特性。采用有限元法数值分析了该型光纤双芯不同结构参数及-20～70℃之间温度变化时的耦合特性。结果显示该型光纤双芯之间的耦合对温度具有高度敏感度,具有极短的耦合长度,在波长为1550 nm处耦合长度仅为55. 00μm,且可实现超短长度、高消光比偏振分束特性,长度为198μm时消光比达到84. 45 d B。该型光纤可以制作成性能很好的温度传感器和偏振分束器。

基于光子晶体光纤的法布里-珀罗干涉传感器(英文)

光子晶体光纤作为新一代光纤和传统光纤相比具有许多独特的优点,因此研究基于光子晶体光纤的传感器已成为光纤传感技术领域的一个热点。该文在国际上首次报道了系列基于光子晶体光纤的法布里-珀罗干涉传感器,包括基于空芯光子晶体光纤的法布里-珀罗干涉应变、温度传感器;基于实心单模光子晶体光纤的法布里-珀罗干涉温度、折射率传感器;基于飞秒和157nm激光器微加工制作的实心光子晶体光纤法布里-珀罗干涉高温应变传感器。这些新型光子晶体光纤干涉传感器具有对温度不敏感、精度高、可靠性好、耐恶劣环境等突出优点,可望在能源、交通、航天航空、生化等领域得到重要应用。

光子晶体光纤F-P干涉式高温传感器研究

本文提出一种用于高温测量的光子晶体光纤F-P干涉传感器,通过熔接机放电使无截止单模光子晶体光纤(ESM-PCF)一个端面完全塌陷,然后再将其与单模光纤(SMF-28e)熔接起来,最后按照设计长度切断ESM-PCF。由于在熔接点处ESM-PCF完全塌陷使其模场直径扩大,减小了与SMF-28e的模场失配损耗,并提高了熔接面的反射光强。这种方式制作简单,相对于以往的光子晶体光纤F-P干涉传感器具有更高的干涉光强度。实验结果表明,该传感器测量温度可达1100℃,温度灵敏度为29.4nm/℃,可以预见这种结构稳定、线性度好的全光纤传感器在机械、航空、冶金领域等具有一定的潜在应用价值。

基于石墨烯和1维光子晶体的THz宽带吸收器

为了获得宽带高效率光波吸收器,设计了石墨烯和1维光子晶体的复合结构,采用修正的传输矩阵法研究了其传输特性。结果表明,在一定条件下,复合结构在太赫兹波段具有一定带宽和高效率的吸收带,吸收带的位置和宽度与1维光子晶体通带一致;在一些特别的吸收带,吸收峰值达到1;对相同的结构吸收结果还与入射方向有关。石墨烯和1维光子晶体的结合进一步拓展了它们的应用范围。

石墨烯缺陷对光子晶体光吸收特性的调制

通过构造含石墨烯缺陷光子晶体结构模型(ACG^(K1)CB)^(N)CG^(K)C(BCG^(K2)CA)^(M),利用传输矩阵法理论和计算机模拟仿真的方式,研究了石墨烯缺陷对光子晶体光吸收特性的调制作用。当光子晶体中引入石墨烯缺陷后,光子晶体的光吸收率增强,并出现明显的窄带吸收峰。随着周期数M或K_(2)增大,光子晶体的光吸收率增强,当M=6时吸收率达到96.55%,当K_(2)=4时吸收率达到43.30%,而且吸收峰随M增大向短波方向移动,但随K_(2)增大向长波方向移动。随着周期数K增大,光子晶体的光吸收率先增大到极大值后再减弱,且吸收峰向短波方向移动。随着A介质层(硅单质)厚度d_(A)的增大,光子晶体的光吸收率增强,当d_(A)=178.25 nm时吸收率达到48.54%,且吸收峰向长波方向移动;随着B、C介质层(分别为四氯化碳和砷化镓)厚度d_(B)、d_(C)增大,光子晶体的光吸收率减弱,当d_(B)=178.25 nm时吸收率为33.12%,当d_(C)=155.25 nm时吸收率为25.89%,且吸收峰向长波方向移动。随着光入射角θ增大,光子晶体的光吸收率先增大到极大值后再减弱,且吸收峰向短波方向移动。研究结果表明石墨烯缺陷对光子晶体光吸收特性具有很好的调制作用,为新型光学吸收器、滤波器和全反射器等材料研究和选择提供理论参考。

石墨烯对反铁磁光子晶体的法拉第效应

采用线性传输矩阵法研究了Faraday位型下含石墨烯层的反铁磁光子晶体的Faraday效应.当电磁波垂直入射到石墨烯反铁磁体系时,给出这种位型下的色散关系,设定不同介质中电磁波磁场的波解形式,通过电磁场的边界条件得出传递矩阵,最后给出不同种一维石墨烯反铁磁光子晶体的透射率和Faraday旋转角的表达式并进行数值模拟.研究了两种结构下的石墨烯磁性光子晶体的透射率及法拉第旋转随层数的变化关系,电介质排布有所不同,会导致其透射率发生很大变化.当只在光子晶体中间的反铁磁层上覆盖单层石墨烯薄膜时,发现在THz频域范围内,光子晶体会增强石墨烯对泵浦波的吸收.

基于石墨烯和一维光子晶体复合结构实现可见光全波段吸收器

为了实现可见光全波段光波吸收器,设计了石墨烯和一维光子晶体的复合结构。用修正的传输矩阵法研究它的传输特性。通过参数的优化和设计级联结构,在正入射条件下该结构在整个可见光波段除两个个别频率吸收率为0.7和0.66外,其余吸收率均达到0.88。结构的吸收还具有对入射角度不敏感的特征。