一种基于石墨烯表面波的高灵敏度超快折射率探测装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种折射率探测装置和方法，利用石墨烯层对表面波的光学吸收灵敏依赖介质折射率的基本原理，通过采用能够快速改变被测介质折射率的声波发生装置，从而实现了对待测介质折射率的高灵敏度超快测量，利用本发明专利技术的装置和方法测量折射率的响应时间可以短至1ns，灵敏度和探测极限高达1×106mV/RIU和5×10‑6RIU。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及与折射率探测相关的物理、化学、生物医学等领域，具体涉及光学折射率探测领域，更具体而言，是一种基于石墨烯表面波探测折射率的装置和方法。
技术介绍
折射率是材料的基本光学参数，针对折射率开展的探测在物理、化学、生物医学等诸多领域有着广泛的应用。传统的折射率测量方法主要基于折射定律和光学干涉原理，如：阿贝成像折射率测量方法，迈克尔逊干涉折射率测量方法等。传统的折射率测量方法灵敏度不高，而且响应时间很长，采用光学干涉方法虽然能够一定程度地提高折射率测量的灵敏度，但是响应时间依然较长（从秒到分钟）。为了进一步提高测量折射率的灵敏度和响应时间，近期出现了一些新型折射率测量方法，如：基于石墨烯全内反射结构折射率测量方法，通过采用监测光强来测量折射率，本专利技术的专利技术人之前的申请ZL201210696836.4中即公开了一种基于石墨烯全内反应结构折射率测定方法和装置，通过利用s偏振和p偏振全内反射时反射率的不同，测量两种偏振光反射的差别来实时测定基底材料上不同浓度溶液（NaCl）的折射率，其相对之前的方法有效提高了响应速度和探测灵敏度，实现了待测材料折射率的实时监测，但是一方面，由于该方法中折射率的变化依赖于待测溶液浓度的变化，而溶液浓度的变化反映到折射率的变化仍然需要一定的时间，限制了其折射率的响应速度（几毫秒）；另一方面，该装置采用全反射结构和圆偏振光入射，极大限制了其折射率的探测极限（10-4RIU），该折射率测试方法和装置仍然不能实现对超快弱波动、单分子动力学、微量气体热力学等微弱信号瞬态探测领域的应用。因此，需要一种能够同时实现高灵敏度和快速折射率测量的方法，其能够实现折射率探测在超快弱波动、单分子动力学、微量气体热力学等微弱信号瞬态探测领域的应用。本专利技术的专利技术人经过研究发现，在反射耦合结构下，入射光场的一部分分量会沿石墨烯表面传播形成表面波，即石墨烯表面波，这种表面波在特定石墨烯厚度条件下甚至可以传播数十微米远，并与石墨烯及其上层介质充分作用。由于石墨烯层对表面波的吸收十分敏感，折射率细微的改变都将导致石墨烯对于表面波吸收快速响应和变化，因此，如果能够提供一种基于石墨烯表面波原理且能够探测快速改变被测介质折射率的方法和装置，该方法和装置能够使被测介质的折射率在瞬间发生微小的变化，从而使石墨烯对表面波的吸收发生变化，进而导致反射光强度发生相应变化，由此便可以实现对待测物体折射率的高灵敏度和快速测量。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种基于石墨烯表面波的折射率探测装置及其探测方法，利用石墨烯层对表面波的光学吸收灵敏依赖介质折射率的基本原理，通过使被测介质的折射率在在瞬间发生微小的变化，采用反射光强度监测的手段，实现了介质折射率的高灵敏度和超快探测。本专利技术的一个目的在于提出一种基于石墨烯表面波的高灵敏度超快折射率探测装置。该装置包括：探测光源装置，提供光束以被石墨烯吸收形成表面波，所述光束为s偏振光或者包含s偏振分量的光；基于石墨烯的折射率探头，接收光束以在石墨烯上形成探测窗口，通过石墨烯对表面波的吸收变化以反映待测样品的折射率变化，并将带有折射率信息的反射光进一步反射；信息光束提取装置，接收带有折射率信息的反射光，从中进一步提取出s偏振光分量光束；光电探测器，接收s偏振光分量光束，并将接收到的光强度值转换为电压值；采集芯片和计算机，采集光电探测器输出的电压值，通过计算机计算处理，将电压信号转换成相应的折射率值显示出来；其中，所述折射率探头自下而上依次为耦合棱镜、透明基底、结合至基底表面的石墨烯膜，所述石墨烯膜的表面进一步设置有样品槽，样品槽内进一步设置有能够使待测样品折射率发生快速微弱变化的声波发生装置，样品槽内的待测样品与石墨烯膜直接接触。本专利技术在待测介质的样品槽中设置了声波发生装置，当声波发生装置产生声波时，声波在被测介质中传播以形成声音压力，该压力使得被测介质的折射率发生快速微弱的变化，这种折射率的快速微弱变化传播到石墨烯膜表面使石墨烯膜对表面波的吸收发生快速微弱的变化，进而导致反射光强度发生相应变化，携带折射率信息的反射光经过信息光束提取装置提取出s偏振光分量，完全携带信息的s偏振分量光束由光电探测器接收，光电探测器将接收到的光强度值转换为电压值输入到采集芯片中，通过计算机计算处理，携带折射率信息的电压信号转换成相应的折射率值显示出来。优选地，所述探测光源装置提供的光束为线偏振、圆偏振或椭圆偏振，光源的波长为单一波长、多波长或宽带波长。优选地，所述的声波发生装置为声波发生器或扬声器。优选地，所述的石墨烯膜通过化学气相沉积方法、机械剥离方法、分子束外延法或氧化还原方法获得。优选地，所述的耦合棱镜为D形棱镜、梯形棱镜或三角形棱镜。优选地，所述样品槽中的待测样品为固体、液体、气体、等离子体、生物分子、生物组织或生物细胞。优选地，所述探测光源装置进一步包括激光器、准直器、偏振片和1/2波片。优选地，所述信息光束提取装置进一步包括光束衰减器和偏振提取装置，所述偏振提取装置为偏振片、偏振分光棱镜或偏振提取器。优选地，在探测光源装置和折射率探头之间可以进一步设置透镜以聚焦光束。优选地，所述石墨烯膜的厚度为0.34nm-100nm。本专利技术的另一个目的在于提供一种基于石墨烯表面波的高灵敏度超快折射率探测方法，该方法包括：（1）向表面结合有石墨烯膜的基底上添加被测样品，使样品与石墨烯膜相接触；（2）向石墨烯膜上施加光束，所述光束为s偏振光或者包含s偏振分量的光；（3）通过施加声波使被测样品的折射率在瞬间发生微小的变化，使石墨烯膜对表面波的吸收相应变化，并通过用耦合棱镜的反射光将对表面波的吸收变化反馈至信息光束提取装置；（4）经过偏振提取、光电转换、电信号收集以及计算处理后，测得被测样品的折射率。优选地，所述的待测样品为固体、液体、气体、等离子体、生物分子、生物组织或生物细胞。优选地，所述石墨烯膜的厚度为0.34nm-100nm。优选地，该方法的响应时间为1纳秒-100毫秒。优选地，该方法的灵敏度和探测极限分别为1×106mV/RIU和5×10-6RIU本专利技术的有益效果：1）本专利技术通过向待测样品中施加声波，声波在被测介质中传播以形成声音压力，该压力使得被测介质的折射率发生快速微弱的变化，相对于现有技术中通过待测样品中浓度的变化以使折射率发生变化的方式，采用声波控制的方式能够在瞬间完成样品折射率的改变，其折射率的响应时间仅为1纳秒-100毫秒，大大缩短了响应时间。2）本专利技术通过控制声波的施加强度，可以使样品的折射率在更微小的范围内变化，结合石墨烯表面波吸收的灵敏折射率依赖效应，可以通过吸收波的变化反馈出折射率的微小变化，本专利中灵敏度和探测极限分别为1×106mV/RIU和5×10-6RIU，远优于其他基于表面等离子体技术和石墨烯技术的强度型折射率探测器。3）本专利技术制备的基于石墨烯表面波的折射率探测器，通过棱镜耦合探测，仅需要光源中包含s偏振光分量即可，其无需额外的透镜汇聚光源，也无需采用偏振分光装置将反射光分光为s偏振和p偏振，装置中所有结构固定，光路更为简单。4）本专利技术制备的基于石墨烯表面波的折射率探测器，折射率探头可与待测样品直接接触，待测折射率材料不受限制，可以适用于多种物态（固、液、气和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于石墨烯表面波的高灵敏度超快折射率探测装置，包括：探测光源装置（1），提供光束以被石墨烯吸收形成表面波，所述光束为s偏振光或者包含s偏振分量的光；基于石墨烯的折射率探头（2），接收光束以在石墨烯上形成探测窗口，通过石墨烯对表面波的吸收变化以反映待测样品的折射率变化，并将带有折射率信息的反射光进一步反射；信息光束提取装置（3），接收带有折射率信息的反射光，从中进一步提取出s偏振光分量光束；光电探测器（4），接收s偏振光分量光束，并将接收到的光强度值转换为电压值；采集芯片和计算机(5)，采集光电探测器（4）输出的电压值，通过计算机计算处理，将电压信号转换成相应的折射率值显示出来；其中，所述折射率探头（2）自下而上依次为耦合棱镜（21）、透明基底（22）、结合至基底（22）表面的石墨烯膜（23），所述石墨烯膜（23）的表面进一步设置有样品槽，样品槽（24）内进一步设置有能够使待测样品折射率发生快速微弱变化的声波发生装置（25），样品槽内的待测样品与石墨烯膜直接接触。

【技术特征摘要】
1.一种基于石墨烯表面波的高灵敏度超快折射率探测装置，包括：探测光源装置（1），提供光束以被石墨烯吸收形成表面波，所述光束为s偏振光或者包含s偏振分量的光；基于石墨烯的折射率探头（2），接收光束以在石墨烯上形成探测窗口，通过石墨烯对表面波的吸收变化以反映待测样品的折射率变化，并将带有折射率信息的反射光进一步反射；信息光束提取装置（3），接收带有折射率信息的反射光，从中进一步提取出s偏振光分量光束；光电探测器（4），接收s偏振光分量光束，并将接收到的光强度值转换为电压值；采集芯片和计算机(5)，采集光电探测器（4）输出的电压值，通过计算机计算处理，将电压信号转换成相应的折射率值显示出来；其中，所述折射率探头（2）自下而上依次为耦合棱镜（21）、透明基底（22）、结合至基底（22）表面的石墨烯膜（23），所述石墨烯膜（23）的表面进一步设置有样品槽，样品槽（24）内进一步设置有能够使待测样品折射率发生快速微弱变化的声波发生装置（25），样品槽内的待测样品与石墨烯膜直接接触。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：探测光源装置（1）提供的光束为线偏振、圆偏振或椭圆偏振，光源的波长为单一波长、多波长或宽带波长。3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的声波发生装置（25）为声波发生器或扬声器。4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的石墨烯膜（23）通过化学气相沉积方法、机械剥离方法、分子束外延法或氧化还原方法获得。5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的耦合棱镜为D形棱镜、梯形棱镜或三角形棱镜。6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述样品槽（24）中的待测样品为固体、液体、气体、等离...

【专利技术属性】
技术研发人员：邢飞，闫立群，
申请(专利权)人：北京碳世纪科技有限公司，邢飞，
类型：发明
国别省市：北京;11