石墨烯增强表面等离子体共振光纤气体传感研究

Optical fiber gas sensor is attracted due to its importance in the fields ofenvironmental monitoring and protection, life and health, and many industrial. Because of the present graphene-based gas sensor with the disadvantages of complicated structure, cross sensitivity, and high cost, this project will produce a grapheme-based surface plasmon resonance enhanced fiber gas sensor. We will mainly investigate: (1) the interaction of the grapheme and the evanescent field in the core-offset fiber of the Mach-Zehnder interferometer; (2) the impact of the core-offset structure parameters to the performance of the sensor; (3) the impact of the optically manipulated deposition to the performance of the sensor; (4) the construction and implementation of the grapheme-based surface plasmon resonance enhanced fiber gas sensor. Through the above investigations, we will discover the interaction of the grapheme and the evanescent field, and design the fiber gas sensor with the characteristics of improved performance, simple structure and low cost, and explore the potential applications of the grapheme in the field of fiber sensor.

光纤气体传感器对环境检测与保护、生命健康、安全生产具有十分重要的意义，是当前气体传感的重要研究方向之一。针对目前石墨烯光纤气体传感器存在结构复杂、交叉敏感、成本昂贵等问题，本项目结合“石墨烯-表面等离子体-光纤”，提出一种石墨烯增强表面等离子体共振光纤气体传感器，以实现高性能光纤气体检测为目标，在理论和实验两方面开展如下工作：（1）研究偏芯结构Mach-Zehnder干涉仪中偏芯光纤上的石墨烯与消逝场的相互作用；（2）研究偏芯结构参数对传感器性能的影响；（3）研究石墨烯光沉积参数及沉积程度等对传感器性能的影响；（4）高性能石墨烯增强表面等离子体共振光纤气体传感器的构建与实现。通过上述研究，揭示石墨烯与消逝场相互作用的物理机制，弄清石墨烯增强表面等离子体共振的影响因素，为设计性能优越、结构简单、成本低廉的光纤气体传感器提供参考，并进一步探索石墨烯在光纤传感领域的潜在应用。

【项目背景】光纤气体传感器对环境检测与保护、生命健康、安全生产具有十分重要的意义，是当前气体传感的重要研究方向之一。.【主要研究内容】针对目前石墨烯光纤气体传感器存在结构复杂、交叉敏感、成本昂贵等问题，本项目结合“石墨烯-表面等离子体-光纤”，提出一种石墨烯增强表面等离子体共振光纤气体传感器，以实现高性能光纤气体检测为目标，在理论和实验两方面开展如下工作：（1）研究偏芯结构Mach-Zehnder干涉仪中偏芯光纤上的石墨烯与消逝场的相互作用；（2）研究偏芯结构参数对传感器性能的影响；（3）研究石墨烯光沉积参数及沉积程度等对传感器性能的影响；（4）高性能石墨烯增强表面等离子体共振光纤气体传感器的构建与实现。.【重要研究成果】从理论和实验两个方面，详细研究了石墨烯与消逝场相互作用的物理机制，弄清了石墨烯增强表面等离子体共振的影响因素。在此基础之上，我们研究了多种不同结构光纤传感器，包括氨气传感器、湿度传感器、折射率传感器、及温度传感器等；并设计了多种基于石墨烯的超材料，在滤波器、光开关、快慢光器件、及传感器等领域具有潜在应用前景。本项目已发表期刊论文30篇(一区1篇，二区13篇，三区7篇，四区7篇，EI收录2篇)，学术会议论文3篇；申请发明专利9项，授权实用新型专利5项；培养硕士生11人；项目组成员参加国际/国内学术会议23人次。.【科学意义】上述研究结果揭示了石墨烯与材料相互作用，对光纤传感器的设计及推广应用，石墨烯材料的应用推广具有重要意义。