基于BSW的光学传感器及光学检测方法技术

基于BSW的光学传感器，包括光学基底，其特征在于：光学基底表面外覆至少一层非金属膜，最外层非金属膜外覆至少一层石墨烯。本发明专利技术通过多层膜结构激发BSW，并在石墨烯处形成足够强的电场，使石墨烯能够强烈的吸收BSW频率的光波。光学传感检测的方法，根据非金属膜的折射率、各层非金属膜的厚度及层数的配合，使在最靠近石墨烯的一层非金属膜处获得BSW激发效果。也可以通过改变石墨烯的费米能级或改变光波入射角度，使在最靠近石墨烯的一层非金属膜处获得BSW激发效果。

【技术实现步骤摘要】
基于BSW的光学传感器及光学检测方法
本专利技术属于光学传感
，涉及一种光学传感器，具体的说为一种基于BSW的光学传感器及采用该光学传感器进行光学检测的方法。
技术介绍
光学传感器是一种实时、原位的检测不同物质间相互作用和结合动力学的技术，当固定在传感芯片表面上的受体与被检测的物质结合以后，利用不同物理原理设计的光学传感器可以实现对各种不同物质性能的检测。通过对光学传感器的多年研究，目前比较成熟的技术主要是基于标记物的检测技术，一般对待测物质较难实现快速实时检测，而影响了检测效率。与带标记的方法相比，免标记方法还可以尽量保持被模拟研究的待测物的原有环境。因此，免标记的分析方法是一个新的研究方向和发展趋势。这种免标记的光学传感器可以应用在生物学、化学、医学和国防等方面，例如，在选择性识别目标生物分子、生物分子间的相互作用分析、荧光分子分析物检测；除此之外，这种传感器还能够应用于环境检测等，例如，对大气和水溶液中某种化学物质浓度的分析检测，可以看出大气污染或者水污染的程度。近几十年来，基于光学表面波的免标记光学检测技术获得了迅猛发展，目前已被广泛应用并商业化的免标记光学传感器中，一种综合效果很好的是表面等离子共振(surfaceplasmonresonance，SPR)传感器。SPR是基于表面等离子波(surfaceplasmonwave,SPW)的一种物理光学效应，通常在金属与外界介质的界面之间激发，当入射光波的传播常数与SPW的传播常数相匹配时，会引起金属膜内自由电子产生共振，也即SPR。例如，中国专利CN106053390A公开了一种含吸收介质石墨烯的表面缺陷腔光子晶体折射率传感器，这种传感器通过周期性光子晶体构建的表面缺陷腔结构，周期性光子晶体采用高折射率材料和低折射率材料周期排列，在表面缺陷腔内放置石墨烯，并且，其结构组成必须为低折射率材料-石墨烯-低折射率材料，其中石墨烯作为接收介质。最终结构，石墨烯两侧相邻的均是低折射率材料。否则，石墨烯不能完成接收功能。中国专利CN205120588U公开了一种表面等离激元共振生物传感器，其包括棱镜，棱镜表面设置有纳米颗粒阵列外覆金属膜和二氧化硅膜，二氧化硅膜外设置一层石墨烯。其公开了一种采用多层膜结构的生物传感器，通过纳米颗粒阵列金属膜和二氧化硅膜共同对入射光作用，以激发SPW效应。其必须依赖于金属特性和二氧化硅的特性。而且，所有的基于SPW的光学传感器还存在一应用缺陷，即其仅能实现对TM波的检测，而不能实现对TE波的检测。除了SPW外，近年来基于布洛赫表面波(Blochsurfacewave，BSW)的生物光学传感器的研究也逐渐受到关注，BSW通常存在于介质与介质之间的交界面上，比如在光子晶体与外界介质的交界面处。目前研究的大多数是基于光子晶体的BSW，在有限周期的光子晶体结构表面可以激发BSW，对BSW的研究大多数也集中在可见光范围内。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于BSW的光传感器，同时还提供了一种采用该传感器进行待测物性能检测的方法。本专利技术的内容为：在光学基底表面外覆至少一层非金属膜，最外层非金属膜外覆至少一层石墨烯。当光波由光学基底入射，多层非金属膜共同作用以激发BSW，到最接近石墨烯的一层非金属膜处，形成足够强的电场分布，使石墨烯能够强烈的吸收BSW频率的光波。光学基底可以选用棱镜或光栅。优选为：最外层石墨烯外覆至少一层非金属膜。优选为：光学基底表面如果覆有多层非金属膜，相邻非金属膜的折射率是不同的。非金属膜可以采用高折射率材料或低折射率材料。优选为：棱镜的折射率大于1且大于待测物质的折射率。光学传感检测的方法，具体为，根据非金属膜的折射率、各层非金属膜的厚度及层数的配合，使在最靠近石墨烯的一层非金属膜处获得BSW激发效果。针对某待测物质，这种最佳的激发效果不是通过固定的结构实现的，可以通过不同的非金属膜的折射率、各层非金属膜的厚度及层数的配合关系，均实现BSW的激发效果，也就是说，需要结合非金属膜的特性设计。优选为：在进行红外波段至太赫兹波段光检测时，可以通过改变石墨烯的费米能级，使在最靠近石墨烯的一层非金属膜处获得BSW激发效果。优选为：改变光的入射角度，使在最靠近石墨烯的一层非金属膜处获得BSW激发效果。本专利技术的有益效果为：提供了一种基于BSW的光学传感器。采用不同折射率的非金属材料构成的多层膜结构表面可以激发BSW，但是如果这里使用的非金属材料本身的损耗很小或者损耗的影响可以忽略，则在该多层膜表面激发的BSW无法用于光学检测，而如果在激发了BSW的多层膜结构表面覆盖石墨烯，将可以实现石墨烯对基于BSW的特定频率电磁波的强烈吸收，即此时该频率电磁波的反射率很小，甚至可以实现对该频率电磁波的完全吸收，即对应反射率等于零。在红外波段，石墨烯的电导率与费米能级有关，通过改变石墨烯的费米能级，可以调节石墨烯的电导率来改变石墨烯的折射率，使激发的BSW的波长和角度有更大的变化范围，使该种结构可以用来设计更加灵敏的电磁波检测器件，从而实现固定角度或者波长扫描的光学传感器，对待测物质有灵敏的检测性能。相比于基于SPW的光学传感器，基于BSW的光学传感器可以实现采用TM偏振和TE偏振条件下电磁波对待测物质性质的检测，适用范围更广。附图说明图1为光学传感器结构示意图。图2为在可见光范围内，待测物为空气，TE偏振电磁波条件下具有不同层数膜结构光学传感器激发BSW效果示意图。图3为在可见光范围内，待测物为空气，TE偏振电磁波条件下，棱镜中入射角51.87°时，具有5层膜光学传感器激发BSW对应的电场强度。图4为在可见光范围内，待测物为空气，TE偏振电磁波条件下，棱镜中入射角51.87°时，表面非金属膜外含有石墨烯及不含有石墨烯光学传感器的反射谱。图5为在可见光范围内，待测物为空气，TM偏振电磁波条件下，棱镜中入射角55.12°时，非金属膜外含有石墨烯及不含有石墨烯光学传感器的反射谱。图6(a)为在可见光范围内，待测物为液体时，固定波长，改变液体折射率的情况下，TE偏振电磁波，随入射角度的变化激发BSW的情况。图6(b)为在可见光范围内，待测物为液体时，固定波长，改变液体折射率的情况下，TM偏振电磁波，随入射角度的变化激发BSW的情况。图7(a)为在可见光范围内，待测物为液体时，固定入射角度51.87°，改变液体折射率的情况下，TE偏振电磁波，随波长的变化激发BSW的情况。图7(b)为在可见光范围内，待测物为液体时，固定入射角度55.12°，改变液体折射率的情况下，TM偏振电磁波，随波长的变化激发BSW的情况。图8(a)为红外波段内，固定波长，改变石墨烯费米能级，TE偏振电磁波，随入射角度的变化激发BSW的情况。图8(b)为红外波段内，固定波长，改变石墨烯费米能级，TM偏振电磁波，随入射角度的变化激发BSW的情况。图9(a)为红外波段内，固定角度64°，改变石墨烯费米能级，TE偏振电磁波，随波长的变化激发BSW的情况。图9(b)为红外波段内，固定角度60°，改变石墨烯费米能级，TM偏振电磁波，随波长的变化激发BSW的情况。图10(a)为红外波段内，待测物为液体时，固定波长，改变液体折射率的情况下，TE偏振电磁波，随入射角度的变化激发BS本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于BSW的光学传感器，其特征在于：光学基底表面外覆至少一层非金属膜，最外层非金属膜外覆至少一层石墨烯。

【技术特征摘要】
1.基于BSW的光学传感器，其特征在于：光学基底表面外覆至少一层非金属膜，最外层非金属膜外覆至少一层石墨烯。2.如权利要求1所述的基于BSW的光学传感器，其特征在于：最外层石墨烯外覆至少一层非金属膜。3.如权利要求1所述的基于BSW的光学传感器，其特征在于：所述光学基底为棱镜或光栅结构。4.如权利要求1或2所述的基于BSW的光学传感器，其特征在于：若非金属膜为多层，相邻两层非金属膜材料的折射率不相同。5.如权利要求1所述的基于BSW的光学传感器，其特征在于：棱镜的折射率大于1且大于待测物质的折射...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜桂强，孙锋，王婷婷，刘一平，路光，李金，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37