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深圳先进技术研究院研制黑磷光纤传感器

时间:2018-01-10 点击数:944

导语:近日,中国科学院广东深圳先进技术研究院研究员吕建成、喻学锋与英国班戈大学教授陈险峰等合作,成功研制出首个基于黑磷的光纤化学传感器,实现对重金属离子的超灵敏检测。


倾斜光纤光栅是一种新型的光纤器件,大角度倾斜光栅结构能够将纤芯光学基模前向耦合到光纤包层,在特定的波长形成一系列离散的谐振峰,光的耦合将随着外界媒质折射率等的变化而变化。因此,倾斜光纤光栅是非常适合作为传感应用的光子器件。黑磷是近年来广受关注的一种具有直接带隙二维半导体材料,具有独特的二维平面结构、超高的比表面积、众多的活性位点,以及从可见到红外广阔的光谱响应范围,在光学检测方面展现出巨大的应用前景。

该研究中,研究团队首次将黑磷和倾斜光纤光栅相结合,揭示了黑磷纳米层独特的光学调制作用,借助于倾斜光栅这种独特的光学结构,构建成新型的超灵敏化学传感器。本研究发展了一种原位层叠的修饰技术,将黑磷纳米片高效地附着在光纤器件表面,不同厚度的黑磷纳米层展现出对光信号独特的调制性。利用这一特性,该黑磷光纤传感器能够在亚ppb浓度水平检测到重金属铅离子,具有超高的灵敏度、超低的检测限,以及广阔的浓度检测范围。黑磷新型光纤传感器的成功研发,将为化学和生物传感提供一个优越的光学检测平台,从而推动黑磷化学生物传感器的应用研究进程。

光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光信号经过光纤送入调制器,使待测参数与进入调制区的光相互作用后,导致光的光学性质(如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等)发生变化,成为被调制的信号源,在经过光纤送入光探测器,经解调后,获得被测参数。

传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展。在这一过程中,光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。光纤具有很多优异的性能,例如:具有抗电磁和原子辐射干扰的性能,径细、质软、重量轻的机械性能;绝缘、无感应的电气性能;耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等,它能够在人达不到的地方(如高温区),或者对人有害的地区(如核辐射区),起到人的耳目的作用,而且还能超越人的生理界限,接收人的感官所感受不到的外界信息。

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