[實用新型]一種基于石墨烯表面波的高靈敏度超快折射率探測裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201621296495.8
• 申請日: 2016-11-30
• 公開（公告）號: CN206208753U
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 邢飛;閆立群
• 申請（專利權(quán)）人: 北京碳世紀科技有限公司;邢飛
• 主分類號: G01N21/41
• 分類號: G01N21/41
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本實用新型涉及與折射率探測相關(guān)的物理、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，具體涉及光學(xué)折射率探測領(lǐng)域，更具體而言，是一種基于石墨烯表面波的高靈敏度超快折射率探測裝置。

背景技術(shù)

折射率是材料的基本光學(xué)參數(shù)，針對折射率開展的探測在物理、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的折射率測量方法主要基于折射定律和光學(xué)干涉原理，如：阿貝成像折射率測量方法，邁克爾遜干涉折射率測量方法等。傳統(tǒng)的折射率測量方法靈敏度不高，而且響應(yīng)時間很長，采用光學(xué)干涉方法雖然能夠一定程度地提高折射率測量的靈敏度，但是響應(yīng)時間依然較長（從秒到分鐘）。

為了進一步提高測量折射率的靈敏度和響應(yīng)時間，近期出現(xiàn)了一些新型折射率測量方法，如：基于石墨烯全內(nèi)反射結(jié)構(gòu)折射率測量方法，通過采用監(jiān)測光強來測量折射率，本實用新型的發(fā)明人之前的申請ZL201210696836.4中即公開了一種基于石墨烯全內(nèi)反應(yīng)結(jié)構(gòu)折射率測定方法和裝置，通過利用s偏振和p偏振全內(nèi)反射時反射率的不同，測量兩種偏振光反射的差別來實時測定基底材料上不同濃度溶液（NaCl）的折射率，其相對之前的方法有效提高了響應(yīng)速度和探測靈敏度，實現(xiàn)了待測材料折射率的實時監(jiān)測，但是一方面，由于該方法中折射率的變化依賴于待測溶液濃度的變化，而溶液濃度的變化反映到折射率的變化仍然需要一定的時間，限制了其折射率的響應(yīng)速度（幾毫秒）；另一方面，該裝置采用全反射結(jié)構(gòu)和圓偏振光入射，極大限制了其折射率的探測極限（10^-4 RIU），該折射率測試方法和裝置仍然不能實現(xiàn)對超快弱波動、單分子動力學(xué)、微量氣體熱力學(xué)等微弱信號瞬態(tài)探測領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，需要一種能夠同時實現(xiàn)高靈敏度和快速折射率測量的方法，其能夠?qū)崿F(xiàn)折射率探測在超快弱波動、單分子動力學(xué)、微量氣體熱力學(xué)等微弱信號瞬態(tài)探測領(lǐng)域的應(yīng)用。

本實用新型的發(fā)明人經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，在反射耦合結(jié)構(gòu)下，入射光場的一部分分量會沿石墨烯表面?zhèn)鞑バ纬杀砻娌ǎ词┍砻娌ǎ@種表面波在特定石墨烯厚度條件下甚至可以傳播數(shù)十微米遠，并與石墨烯及其上層介質(zhì)充分作用。由于石墨烯層對表面波的吸收十分敏感，折射率細微的改變都將導(dǎo)致石墨烯對于表面波吸收快速響應(yīng)和變化，因此，如果能夠提供一種基于石墨烯表面波原理且能夠探測快速改變被測介質(zhì)折射率的方法和裝置，該方法和裝置能夠使被測介質(zhì)的折射率在瞬間發(fā)生微小的變化，從而使石墨烯對表面波的吸收發(fā)生變化，進而導(dǎo)致反射光強度發(fā)生相應(yīng)變化，由此便可以實現(xiàn)對待測物體折射率的高靈敏度和快速測量。

發(fā)明內(nèi)容

本實用新型的目的在于提出一種基于石墨烯表面波的的高靈敏度超快折射率探測裝置，利用石墨烯層對表面波的光學(xué)吸收靈敏依賴介質(zhì)折射率的基本原理，通過使被測介質(zhì)的折射率在在瞬間發(fā)生微小的變化，采用反射光強度監(jiān)測的手段，實現(xiàn)了介質(zhì)折射率的高靈敏度和超快探測。

本實用新型的一個目的在于提出一種基于石墨烯表面波的高靈敏度超快折射率探測裝置。該裝置包括：

探測光源裝置，提供光束以被石墨烯吸收形成表面波，所述光束為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頭，接收光束以在石墨烯上形成探測窗口，通過石墨烯對表面波的吸收變化以反映待測樣品的折射率變化，并將帶有折射率信息的反射光進一步反射；

信息光束提取裝置，接收帶有折射率信息的反射光，從中進一步提取出s偏振光分量光束；

光電探測器，接收s偏振光分量光束，并將接收到的光強度值轉(zhuǎn)換為電壓值；

采集芯片和計算機，采集光電探測器輸出的電壓值，通過計算機計算處理，將電壓信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的折射率值顯示出來；

其中，所述折射率探頭自下而上依次為耦合棱鏡、透明基底、結(jié)合至基底表面的石墨烯膜，所述石墨烯膜的表面進一步設(shè)置有樣品槽，樣品槽內(nèi)進一步設(shè)置有能夠使待測樣品折射率發(fā)生快速微弱變化的聲波發(fā)生裝置，樣品槽內(nèi)的待測樣品與石墨烯膜直接接觸。

本實用新型在待測介質(zhì)的樣品槽中設(shè)置了聲波發(fā)生裝置，當聲波發(fā)生裝置產(chǎn)生聲波時，聲波在被測介質(zhì)中傳播以形成聲音壓力，該壓力使得被測介質(zhì)的折射率發(fā)生快速微弱的變化，這種折射率的快速微弱變化傳播到石墨烯膜表面使石墨烯膜對表面波的吸收發(fā)生快速微弱的變化，進而導(dǎo)致反射光強度發(fā)生相應(yīng)變化，攜帶折射率信息的反射光經(jīng)過信息光束提取裝置提取出s偏振光分量，完全攜帶信息的s偏振分量光束由光電探測器接收，光電探測器將接收到的光強度值轉(zhuǎn)換為電壓值輸入到采集芯片中，通過計算機計算處理，攜帶折射率信息的電壓信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的折射率值顯示出來。