《Research》用于快速热感知的可批量生产的石墨烯涂层光纤

文章标题：Kilometers Long Graphene-Coated Optical Fibers for Fast Thermal Sensing

第一作者: Yiyong Guo

通讯作者：Yue Lin，Wencai Ren，Yunjiang Rao，Baicheng Yao

通讯单位：University of Electronic Science and Technology of China；University of Cambridge；Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences

撰稿：Kevin

论文导读

近年来，光纤与二维材料的结合极大地拓展了光纤的应用领域。从动态光学调制、超快脉冲产生到高精度传感，合理的使用二维材料可以带来新的效应和器件性能的提升。然而，受限于制备工艺，以往的二维材料光纤器件一般局限在微米到厘米的尺度范围内，无法利用光纤长距离光传输的固有优势。2019年，北京大学刘忠范院士团队首次在空芯光子晶体光纤中集成了米级长度的石墨烯材料，并通过石墨烯实现了对光纤内传输光的调制[1],随后该团队又实现MoS2二维材料在空芯光子晶体光纤内的生长集成，并获得了具有高非线性的光纤器件[2]。

近日，电子科技大学饶云江教授、姚佰承教授和剑桥大学Yue Lin博士，中科院沈阳金属所任文才研究员合作，将工业石墨烯纳米片和光纤拉制涂层技术相结合，制作出了千米级长度的石墨烯涂层光纤，并实现了基于石墨烯涂层光纤的快速温度响应测量。相关结果以“Kilometers Long Graphene-Coated Optical Fibers for Fast Thermal Sensing”为题发表于国际化高水平期刊《Research》。

研究进展

石墨烯涂层光纤的结构如图1a所示，主要包含石英纤芯、包层和外面的石墨烯涂层。采用石墨烯材料作为光纤涂覆层的最大优点在于石墨烯具有极高的导热系数（>2000Wm^-1K^-1）。其制备工艺基于传统的光纤拉丝技术，将传统的聚合物涂覆工序改为石墨烯纳米片涂覆，通过这种工业化的生产方式可以连续生产出千米级长度的石墨烯涂层光纤，每千米的成本仅为10美金。制备出的石墨烯涂层光纤如图1c所示。图1d中的石墨烯涂层拉曼光谱可以显示出石墨烯特有的共振峰，表明该涂层中含有大量石墨烯，并且沿着光纤轴向石墨烯涂层十分均匀。

图1：石墨烯涂层光纤制备工艺和表征

为研究石墨烯涂层光纤的热传导增强效应，研究者们在真空中同时分别对一段石墨烯涂层光纤和一段传统聚合物涂层光纤进行点加热，并用热像仪检测热响应。图2a-b为在不同时间延迟下测量的结果，清楚地表明，温度场沿石墨烯涂层光纤的传播速度比商用石英纤光纤快。经测量发现石墨烯涂层光纤的导热速度为传统聚合物涂层光纤的19倍。极高的导热系数使得石墨烯涂层光纤可以迅速感知微弱的温度波动。如图c所示，当对石墨烯纤维进行动态点加热时，在距离加热垫20mm的处可以测得很好的温度跟随特性。

图2：石墨烯涂层光纤的热响应测量结果

在光纤温度传感应用中，为了利用石墨烯涂层光纤的热传导优势，研究者们首先采用了光纤布拉格光栅。他们在光纤芯中写入布拉格光栅，在光纤上覆盖石墨烯涂层。采用光纤布拉格光栅（FBG）进行温度传感的方式图3a所示。采用电加热方式对布拉格光栅进行加热，加热点距离布拉格光栅距离为8mm。时间采样率>100hz，从而以高分辨率跟踪热传感过程。图3b为石墨烯涂层FBG（上图）和传统聚合物涂层光纤FBG（下图）在不同恒温温度下的反射光谱。显然，石墨烯涂层光纤布拉格光栅与传统的布拉格光栅的响应较为吻合，这是由光栅本身的性质决定。而当对光栅进行动态加热时，可以明显的发现石墨烯涂层光纤的响应明显要快于传统的聚合物涂层光纤传感器。这证明了石墨烯涂层光纤光栅相比传统聚合物涂层光纤光栅具有更快的温度响应速度。

图3：石墨烯涂层光纤光栅的温度响应性能

在光纤温度传感应用中，为了利用石墨烯涂层光纤的热传导优势，研究者们首先采用了光纤布拉格光栅。他们在光纤芯中写入布拉格光栅，在光纤上覆盖石墨烯涂层。采用光纤布拉格光栅（FBG）进行温度传感的方式图3a所示。采用电加热方式对布拉格光栅进行加热，加热点距离布拉格光栅距离为8mm。时间采样率>100hz，从而以高分辨率跟踪热传感过程。图3b为石墨烯涂层FBG（上图）和传统聚合物涂层光纤FBG（下图）在不同恒温温度下的反射光谱。显然，石墨烯涂层光纤布拉格光栅与传统的布拉格光栅的响应较为吻合，这是由光栅本身的性质决定。而当对光栅进行动态加热时，可以明显的发现石墨烯涂层光纤的响应明显要快于传统的聚合物涂层光纤传感器。这证明了石墨烯涂层光纤光栅相比传统聚合物涂层光纤光栅具有更快的温度响应速度。

图4：基于石墨烯涂层光纤的φ-OTDR分布式温度传感性能研究。

总结和展望

简言之，来自电子科大、剑桥大学和中科院沈阳金属所的研究团队报道了一种可千米级大规模生产的石墨烯涂层光纤。这种石墨烯涂层光纤热响应速度比普通石英纤维高30倍。利用这种新型光纤可以使FBG温度传感器的检测加速度提高18倍以上，或者使长距离分布式光纤温度传感系统的检测速度提高15倍以上。这项工作为石墨烯和光纤的产业化结合搭建了一座桥梁，为其他二维材料和光学结构的结合提供了灵感，也为高性能光纤温度传感提供了一个新的思路，可能会给诸如地球、深海勘探，远程安全监控和火灾报警等领域带来新的发展。

参考文献：

1.  Chen, Ke, et al. “Graphene photonic crystal fibre with strong and tunable light–matter interaction.” Nature Photonics 13.11 (2019): 754-759.

2. Zuo, Yonggang, et al. “Optical fibres with embedded two-dimensional materials for ultrahigh nonlinearity.” Nature Nanotechnology 15.12 (2020): 987-991.

原文链接：

https://spj.sciencemag.org/journals/research/2021/5612850/