CN101717203B

CN101717203B - 一种光诱导石墨烯沉积到光纤端面的方法

Info

Publication number: CN101717203B
Application number: CN200910242484XA
Authority: CN
Inventors: 杨昌喜; 桂丽丽
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2009-12-15
Filing date: 2009-12-15
Publication date: 2011-09-28
Anticipated expiration: 2029-12-15
Also published as: CN101717203A

Abstract

本发明公开一种光诱导石墨烯沉积到光纤端面的方法，是一种将石墨烯转移到光纤基底上的方法。该方法特征在于：配备好石墨烯溶液；光纤待沉积端浸入石墨烯溶液；使光源输出光从光纤另一端耦合进入；通过控制光源的输出功率、作用时间，控制石墨烯在光纤端面的沉积形貌、厚度。本发明工艺简单、耗时短、所需的石墨烯数量少、成本低。

Description

一种光诱导石墨烯沉积到光纤端面的方法

技术领域

本发明涉及一种将石墨烯转移到光纤基底上的方法，特别是涉及一种光诱导石墨烯沉积到光纤端面的方法。

背景技术

自2004年从实验上确定石墨烯的稳定存在以来，它良好的热学、机械性能特别是优异的电学性质，引起了国内外研究学者的广泛关注。石墨烯独特的结构也注定它具备一些特殊的光电性质。2009年，有学者在实验上证实，石墨烯可以作为一种优良的可饱和吸收体，用于锁模光纤激光器中。同时，石墨烯也具有独特的非线性和色散特性，在非线性光学、纳米光子学等领域有广阔的应用前景。

目前，将石墨烯转移到光纤基底上，从而制作成全光纤的锁模光纤激光器，方法有以下几种：

方法1

通过化学气相沉积法在SiO₂/Si基底上制备大面积的石墨烯薄膜，再将带基底的样品浸入水中，石墨烯薄膜从基底上剥落，在水中呈漂浮态。此时，将光纤浸入水中，轻轻接触石墨烯薄膜，尽量使光纤端面与石墨烯薄膜平行。从而石墨烯薄膜吸附到光纤端面上，实现转移。(Qiaoliang Bao，Han Zhang，YuWang，Zhenhua Ni，Yongli Yan，Ze Xiang Shen，Kian Ping Loh，and Ding YuanTang，″Atomic-Layer Graphene as a Saturable Absorber for Ultrafa st PulsedLasers，″Advanced Functional Materials，Vol.19，pp.3077-3083，Oct.2009)该方法要求制备的石墨烯是面积较大、有一定厚度的薄膜状态，且容易与原始基底分离。

方法2

将石墨烯配成溶液，与聚乙烯醇混合，干化制成薄膜，再将薄膜转移到光纤端面(Z.Sun，T.Hasan，F.Torrisi，D.Popa，G.Privitera，F.Wang，F.Bonaccorso，D.M.Basko，and A.C.Ferrari，″Graphene Mode-Locked Ultrafast Laser，″arXiv：0909.0457，Sep.2009)。该方法需要先制成薄膜，工艺较复杂，且聚乙烯醇的存在会影响石墨烯作为可饱和吸收体的性能。

总之，从上面的描述可以看出，现有的将石墨烯转移到光纤基底上解决方案比较复杂，迫切需要本领域技术人员解决的一个问题就是，如何能够创造性的提出一种简单工艺。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种将石墨烯转移到光纤基底上的方法，通过简单的工艺控制石墨烯在光纤端面的沉积。

为了解决上述问题，本发明公开了一种光诱导石墨烯沉积到光纤端面的方法，包括以下步骤：

步骤(1)、配备好石墨烯溶液，所述石墨烯溶液浓度为0.0001mg/ml至10mg/ml；

步骤(2)、光纤待沉积端浸入石墨烯溶液；

步骤(3)、使光源输出光从光纤另一端耦合进入；

步骤(4)、、通过控制光源的输出功率、作用时间，控制石墨烯在光纤端面的沉积形貌、厚度，所述输出功率范围为5mW至500mW，所述作用时间范围为1s至1h。

优选的，所述步骤(1)中石墨烯溶液的溶剂为N-甲基吡咯烷酮。

优选的，所述步骤(1)中石墨烯溶液浓度为0.001mg/ml至1mg/ml。

更优选的，所述步骤(1)中石墨烯溶液浓度为0.01mg/ml至0.1mg/ml。

优选的，所述步骤(3)中光源的波长范围为从紫外波段到近红外波段。

优选的，在步骤(3)中，若光源是尾纤输出，则将光源尾纤与目标光纤通过光纤适配器相接连，实现光的耦合；或者，若光源是自由空间输出，则可以通过空间透镜耦合的方式，实现光的耦合。

更优选的，所述步骤(4)中光源作用时间范围为30s至20min。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明能够通过简单的工艺实现石墨烯在光纤端面的沉积；利用光源的输出功率与作用时间可以有效控制石墨烯在光纤端面的沉积形貌与沉积厚度。相比于背景技术中的第一种方法，本发明不要求石墨烯制备成薄膜形式，所需的石墨烯数量少。相比于背景技术中的第二种方法，本发明具有工艺简单、耗时短、不引入其他物质、所需的石墨烯数量少、成本低的优点。

附图说明

图1为本发明实施实例中利用光诱导法沉积石墨烯到光纤端面的示意图；

图2(a)、(b)分别为本发明实施实例1中经光诱导法沉积石墨烯前、后的光纤端面的显微图；

图3(a)、(b)为本发明实施实例2中经光诱导法沉积石墨烯后的光纤端面的显微图，及观察此光纤端面一处的拉曼光谱时对应的显微图；

图4(a)、(b)为本发明实施实例3中经光诱导法沉积石墨烯后的光纤端面的显微图，及观察此光纤端面一处的拉曼光谱时对应的显微图；

图5为本发明实施实例2、实施实例3中对应的拉曼光谱；以及将石墨烯溶液滴到载玻片上干化后的一处的拉曼光谱；

1-光源；2-光纤适配器；3-光纤；4-石墨烯溶液。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供了下面一种新颖的将石墨烯沉积到光纤端面的方法，其原理是通过光诱导的方式实现对石墨烯在光纤端面的沉积形貌、厚度的控制。具体的可以包括以下步骤：

步骤(1)、配备好石墨烯溶液；

其中，所述步骤(1)中石墨烯溶液的溶剂可以为任何一种保持石墨烯稳定存在、使其不易团聚的溶剂(如1，3-二甲基咪唑啉酮(DMEU)、γ-丁内酯(GBL)等等)。在本发明的优选实施例中，石墨烯溶液的溶剂为N-甲基吡咯烷酮(NMP)。

所述步骤(1)中石墨烯溶液浓度通常范围大约可以为0.0001mg/ml至 10mg/ml。优选情况是，所述步骤(1)中石墨烯溶液浓度范围大约为0.001mg/ml至1mg/ml。更为优选的是，所述步骤(1)中石墨烯溶液浓度范围大约为0.01mg/ml至0.1mg/ml。

若石墨烯溶液浓度过低，则不易达到所需的光源功率及作用时间，以得到石墨烯在光纤端面的沉积；若石墨烯溶液浓度过高，则不易通过控制光源功率及作用时间来有效地控制石墨烯的沉积厚度。

步骤(2)、光纤待沉积端浸入石墨烯溶液；

其中，本发明所用的光纤可以是普通单模光纤、普通多模光纤、纳米光纤、光纤锥或光子晶体光纤。

步骤(3)、使光源输出光从光纤另一端耦合进入；

需要说明的是，对于步骤(2)、步骤(3)没有严格的先后顺序，实际操作中可以对调。通常的，本发明所采用的光源的波长范围可以为从紫外波段到近红外波段。

所述步骤(3)中的光源可以是连续的，也可以是脉冲的，如飞秒激光等等。所述步骤(3)中光源可以是相干的激光，也可以是完全的非相干光，如放大自发辐射(ASE)光源等。

步骤(4)、通过控制光源的输出功率、作用时间，控制石墨烯在光纤端面的沉积形貌、厚度。

所述步骤(4)中光源的输出功率与作用时间，与石墨烯溶液的浓度、光源的类型、所需的沉积形貌、所需的沉积厚度密切相关。因此，对于如何控制光源的输出功率、作用时间，则需要本领域技术人员依据所需的沉积形貌、厚度进行实际确定，本发明无需加以限定。

所述步骤(4)中光源输出功率范围可以大约为5mW至500mW。

在光源输出功率的选择上，若光源功率过低，则不易得到石墨烯在光纤端面的沉积；若光源功率过高，则可能影响石墨烯的性质，或不易通过控制光源的作用时间来有效控制石墨烯在光纤端面的沉积。

所述步骤(4)中光源作用时间范围大约为1s至1h。优选情况是，所述步骤(4)中光源作用时间范围大约为30s至20min。

实际上本发明中的光源作用时间可以更长，但是在光源作用时间的选择上，若光源的作用时间过短，则不易得到石墨烯在光纤端面的沉积；若光源的作用时间过长，则石墨烯在光纤端面的沉积厚度过大，可能影响石墨烯的性质，不易在一般情况下得到应用。

下面对步骤(3)中光的耦合方式进行简单说明。

需要说明的是，具体的耦合方式可以依据光源的输出形式确定，本发明并不需要加以限定，此处仅仅给出两个示例加以说明，本领域技术人员可以依据实际情况进行现有各种耦合方式的选用。

例如，有的情况下，光源采用的是尾纤输出方式，则可以将光源尾纤与目标光纤通过光纤适配器相接连，实现光的耦合；再例如，有的情况下，光源采用的是自由空间输出，则可以通过空间透镜耦合的方式，实现光的耦合。

实施实例1

参照图1-图2，详细叙述了本发明的一个具体实施实例。该实施实例中，目标是在标准单模光纤端面的芯区及芯区外围一部分区域环状沉积石墨烯。

(1)配备好石墨烯溶液4，溶剂为N-甲基吡咯烷酮，溶液浓度为0.04mg/ml。

(2)参照图1，光源1为980nm连续激光，带尾纤输出。光纤3为标准单模光纤，光纤包层直径125μm，纤芯直径9μm，切割光纤的待沉积端使其与光纤轴垂直，光纤端面的显微图如图2(a)所示。使用标准的光纤适配器2将光源1的输出尾纤与光纤3的另一端相连接。光源1输出激光功率为70mW。

(3)光纤3的待沉积端浸入石墨烯溶液4中。在激光作用5min后，石墨烯在光纤端面的芯区及芯区外围一部分区域呈现环状沉积。此时光纤端面的显微图如图2(b)所示。

实施实例2

本实施实例中的操作步骤与实施实例1中完全相同，在此不再赘述。不同的是，在本实施例中：光源1输出激光功率为100mW，激光作用时间为 20min。

图3(a)是此时经光诱导法沉积石墨烯后的光纤端面的显微图。图3(b)是观察此光纤端面的拉曼光谱时的显微图，十字交叉点对应观察拉曼光谱时的采样点，刻度单位为μm。

从图2(b)与图3(a)对比看出，相比于实施实例1，在实施实例2的激光功率与作用时间下，石墨烯在光纤端面的沉积形貌类似，但沉积范围变大。

实施实例3

本实施实例中的操作步骤与实施实例1中完全相同，在此不再赘述。不同的是，在本实施例中：光源1输出激光功率为500mW，激光作用时间为20min。

图4(a)是此时经光诱导法沉积石墨烯后的光纤端面的显微图。图4(b)是观察此光纤端面的拉曼光谱时的显微图，十字交叉点对应观察拉曼光谱时的采样点，刻度单位为μm。

从图3(a)与图4(a)对比看出，相比于实施实例2，在实施实例3的激光功率与作用时间下，石墨烯在光纤端面的沉积范围明显变大，且沉积形貌的环状特征不明显。由于图3(a)与图4(a)是在完全相同的显微镜设置情形下观察得到，而实施实例3中接近光纤芯区的区域看起来更模糊，这说明实施实例3中光纤芯区处的沉积厚度比实施实例2更大。

图5分别示出了实施实例2(图5(a))、实施实例3(图5(b))中，经光诱导法沉积石墨烯后的光纤端面的一处的拉曼光谱；为对比，图5也示出了将石墨烯溶液滴到载玻片上干化后的一处的拉曼光谱(图5(c))。可以看到，经光诱导法沉积的石墨烯的拉曼光谱与在载玻片上的石墨烯的拉曼光谱，D峰、G峰、2D峰的拉曼频移都十分接近，峰形也十分相似。

图5中的拉曼光谱是利用显微共焦拉曼光谱仪(Renishaw，RM2000)测得，光谱探测时所用激励光源中心波长为632.8nm，功率为4.7mW。探测光谱扫描时间30s，积分10次得到。

在本说明书中，近似表达方式可被用来修饰任何在不会改变与其相关的基本功能的情况下可变化的数量表示。因此，在一些情况下，被术语(例如大约)修饰的值不会限制在指定的精确值。在至少一些情况下，近似表达方式可与测量该值的仪器的精度相符合。因此，连同数量使用的修饰词“大约”包括所述值并且具有由上下文规定的意思(例如，包括与特定量的测量有关的误差度)。

本说明书公开的所有范围包括端点并且可独立组合。所有指示特性的范围的端点是包括在内的，并且可独立组合。

以上对本发明所提供的一种光诱导石墨烯沉积到光纤端面的方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种光诱导石墨烯沉积到光纤端面的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(2)、光纤待沉积端浸入石墨烯溶液；

步骤(3)、使光源输出光从光纤另一端耦合进入；

步骤(4)、通过控制光源的输出功率、作用时间，控制石墨烯在光纤端面的沉积形貌、厚度，所述输出功率范围为5mW至500mW，所述作用时间范围为1s至1h。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述步骤(1)中石墨烯溶液的溶剂为N-甲基吡咯烷酮。

3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述步骤(1)中石墨烯溶液浓度为0.001mg/ml至1mg/ml。

4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述步骤(1)中石墨烯溶液浓度为0.01mg/ml至0.1mg/ml。

5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述步骤(3)中光源的波长范围为从紫外波段到近红外波段。

6.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤(3)中，

若光源是尾纤输出，则将光源尾纤与目标光纤通过光纤适配器相接连，实现光的耦合；

或者，若光源是自由空间输出，则可以通过空间透镜耦合的方式，实现光的耦合。

7.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述步骤(4)中光源作用时间范围为30s至20min。