[實用新型]利用石墨烯太赫茲表面等離子效應的酒精濃度測量裝置

有效

• 申請號: 201621344350.0
• 申請日: 2016-12-08
• 公開（公告）號: CN206804521U
• 公開（公告）日: 2017-12-26
• 發明（設計）人: 李向軍;王聰;金呂新
• 申請（專利權）人: 中國計量大學
• 主分類號: G01N21/552
• 分類號: G01N21/552
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司33200
• 代理人: 鄭海峰

技術領域

本實用新型屬于太赫茲波技術領域，涉及一種利用石墨烯太赫茲表面等離子效應的酒精濃度測量裝置。

背景技術

太赫茲(Terahertz or THz)波通常是指頻率在0.1～10THz區間的電磁波，其光子的能量約為1～10meV，正好與分子振動及轉動能級之間躍遷的能量大致相當。大多數極性分子如水分子、氨分子等對THz輻射有強烈的吸收，許多有機大分子(DNA、蛋白質等)的振動能級和轉動能級之間的躍遷也正好在THz波段范圍。因此，物質的THz光譜(包括發射、反射和透射光譜)包含有豐富的物理質和化學信息，其吸收和色散特性可以用來做爆炸物、藥物等化學及生物樣品的探測和識別，在物理學、化學、生物醫學、天文學、材料科學和環境科學等方面具有重要的應用價值。

石墨烯是一種只有單層碳原子厚度的六邊蜂巢形狀的二維材料，自2004年發現以來，越來越受人們重視，具有極其廣泛的應用前景。石墨烯是世界上強度最高的材料(200倍于鋼)，有很高的導熱(5300W/mK)和導電性(50Ω/cm)，有極高的比表面積(2630m²/g)，有高彈性高硬度(130GPa)。石墨烯的化學反應性強，容易與其他化學物質反應形成化合物，還能承受電離輻射，同時很輕盈，具有類似于碳纖維的韌性，而焦耳效應比碳纖維更小。石墨烯在THz波段可以很好的支持表面等離子激元，在傳感、通信等方面有許多潛在的應用。

溶液濃度是一個重要物理量,在化工、冶金、造紙、釀酒、制糖、環保行業及科研等領域都常常需要對溶液濃度進行測量。其中特別是酒精類飲品是國家控制產品,對其中的乙醇含量有嚴格規定。快速準確地測定飲品中乙醇含量在食品工業質量控制中十分重要。由于溶液的折射率與吸收率等光學參數與其濃度和溫度直接相關因此通過測量溶液的光學參數來測量溶液濃度是常用的方法之一，例如光纖傳感器、紅外及拉曼譜測量法等等。同膜分離結合酶法等電化學學方法相比,這類具有測量速度快,精度高,尤其適合易燃易爆等場所測量。近紅外、中紅外及拉曼光譜已經應用于飲品中乙醇含量的測量，但在測量方法建立初期,需要完成大批量實驗以建立起化學計量模型。而且模型多以光強度信號或與強度直接相關的量的變化實現被測量的感知,對光源的穩定性要求極高,而且計算復雜。

發明內容

本實用新型目的是克服現有電化學法和光譜法測量飲品中酒精濃度的不足，提供一種利用石墨烯太赫茲表面等離子效應的酒精濃度測量裝置。

本實用新型的技術方案如下：

本實用新型公開了一種利用石墨烯太赫茲表面等離子效應的酒精濃度測量裝置，包括高阻硅三角棱鏡(1)、第一二氧化硅薄膜(2)、單層石墨烯(3)、第二二氧化硅薄膜(4)、待測酒精溶液(5)、高阻硅襯底(6)、飛秒激光器(7)、斬波器(8)、分束器(9)、光電導天線(10)、第一拋面鏡(11)、第一聚四氟乙烯透鏡(12)、第二聚四氟乙烯透鏡(13)、第二拋面鏡(14)、薄膜分束鏡(15)、ZnTe晶體(16)、四分之一波片(17)、沃拉斯頓棱鏡(18)、光電平衡探測器(19)、鎖相放大器(20)、計算機(21)、第一反射鏡(22)、延遲線(23)、第二反射鏡(24)；

飛秒激光器(7)產生的飛秒激光脈沖光路上順次設有斬波器(8)、分束器(9)，分束器(9)將飛秒激光脈沖光分為較強的泵浦光和較弱的探測光；泵浦光光路上設有光電導天線(10)，光導天線(10)激發的太赫茲波順次經過第一拋面鏡(11)、第一聚四氟乙烯透鏡(12)，經第一聚四氟乙烯透鏡(12)聚焦后的太赫茲波入射到高阻硅棱鏡(1)一側表面上，在透射到第一二氧化硅薄膜(2)、單層石墨烯(3)、第二二氧化硅薄膜(4)、待測酒精溶液(5)、再經高阻硅片(6)的上表面反射返回到高阻硅三角棱鏡(1)，太赫茲波出射高阻硅三角棱鏡(1)后順次經過第二聚四氟乙烯透鏡(13)、第二拋面鏡(14)、薄膜分束鏡(15)；探測光光路上順次設有第一反射鏡(22)、延遲線(23)、第二反射鏡(24)、薄膜分束鏡(15)；

太赫茲波透過薄膜分束鏡(15)到達ZnTe晶體(16)，與被薄膜分束鏡(15)反射的探測光匯合，再透過ZnTe晶體(16)、四分之一波片(17)、沃拉斯頓棱鏡(18)后被光電平衡探測器(19)探測；光電平衡探測器(19)、鎖相放大器(20)、計算機(21)順次相連。

待測酒精濃度測量步驟如下：

1)在高阻硅襯底(6)和第二二氧化硅薄膜(4)之間放置未知濃度的待測酒精溶液(5)；