一种基于石墨烯表面波的高灵敏度超快折射率探测装置的制作方法

本实用新型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的高灵敏度超快折射率探测装置。

背景技术：

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，本实用新型的发明人之前的申请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^-4 RIU），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。

本实用新型的发明人经过研究发现，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。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提出一种基于石墨烯表面波的的高灵敏度超快折射率探测装置，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。

本实用新型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。

本实用新型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-100 nm。

本实用新型的有益效果：

1）本实用新型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）本实用新型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）本实用新型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）本实用新型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、气和等离子体态）和复杂折射率环境的高灵敏度超快探测。

5）本实用新型制备的基于石墨烯表面波的折射率探测器，采用计算机直接控制测量，操作简单，易小型化集成阵列实现小体积、多通道的折射率探测。

附图说明

图1为本实用新型一个实施例的示意图；

图2为本实用新型一个实施例的超快微弱声波引起水折射率变化所得的折射率和电压随时间的变化结果曲线；

图3为本实用新型一个实施例的实际测得人经过扬声器发出的声波引起空气折射率变化所得的折射率随时间的变化结果曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细的描述。实施例给出了本实用新型探测装置几种详细实施方式和具体操作过程。

实施例1

如图1所示，本实施例的装置包括：探测光源装置1、透镜L、折射率探头2、反射镜M、信息光束提取装置3、光电探测器4、采集芯片和计算机5；其中，探测光源装置1包括激光器（波长633nm）11、准直器12、偏振片13和1/2波片14；折射率探头2包括D形石英耦合棱镜21、石英片22、热还原石墨烯膜23、水槽24、声波发生器25；信息光束提取装置3包括光束衰减器31和偏振片32。

本实施例的步骤包括：

1）采用热还原方法将石墨烯膜23结合到石英片基底22上，石英片22通过折射率匹配油粘贴在D形石英耦合棱镜21的反射面上；

2）在石墨烯膜23上安装水槽24，将声波发生器25的探头置于水槽中；

3）探测光源装置1发出s偏振光，经透镜L聚焦入射到折射率探头2的D形石英耦合棱镜21反射面，光束通过D形石英耦合棱镜21、石英片22照射到石墨烯膜23上形成探测窗口，携带折射率信息的反射光经过信息光束提取装置3后由光电探测器4接收；

4）当声波发生器25产生声波时，声波在水中传播会形成声音压力，该压力使得水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23表面使石墨烯膜23对表面波的吸收发生快速微弱的变化，同时反射光强度发生相应变化，携带水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，完全携带水折射率信息的s偏振分量光束由光电探测器4接收；

5）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5处理，携带水折射率信息的电压信号转换成相应的折射率值显示出来。

在本实施例中，激光器11为He-Ne激光器。经过理论仿真和选取不同厚度进行实验测试，得出石墨烯薄膜的最佳厚度范围为0.34nm-100nm。水槽材料为有机玻璃，其上下底面打成通孔，通过胶水粘贴在石墨烯薄膜23的上表面。

图2为实际测得超快微弱声波引起水折射率变化所得的折射率和电压随时间的变化结果，图2显示4×10^-5 RIU的折射率变化量可以被探测到，信噪比约为8，可计算探测极限为5×10^-6RIU，灵敏度为1×10⁶mV/RIU，图2中显示脉冲声波引起水折射率变化的周期仅约为8纳秒，该超快的响应过程可以被准确探测。

实施例2

本实施例的装置包括：探测光源装置1、折射率探头2、反射镜M、信息光束提取装置3、光电探测器4、采集芯片和计算机5；其中，探测光源装置1包括激光器11、准直器12、偏振片13和1/2波片14；折射率探头2包括D形玻璃耦合棱镜21、玻璃基底22、化学气相沉积石墨烯膜23、空气槽24、扬声器25；信息光束提取装置3包括光束衰减器31和偏振分光棱镜32。

本实施例的步骤包括：

1）将化学气相沉积方法制备的石墨烯膜23转移到玻璃基底22上，玻璃基底22通过折射率匹配油粘贴在D形玻璃耦合棱镜21的反射面上；

2）在石墨烯膜23上安装密闭空气槽24，将扬声器25置于密闭空气槽中；

3）探测光源装置1发出椭圆偏振光，直接入射到折射率探头2的D形石英耦合棱镜21反射面，光束通过D形玻璃耦合棱镜21、玻璃基底22照射到石墨烯膜23上形成探测窗口，携带折射率信息的反射光经过信息光束提取装置3后由光电探测器4接收；

4）当人通过扬声器25产生声波时，声波在空气中传播会形成声音压力，该压力使得空气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23表面使石墨烯膜23对表面波的吸收发生快速微弱的变化，同时反射光强度发生相应变化，携带等空气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，完全携带空气折射率信息的s偏振分量光束由光电探测器4接收；

5）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，通过计算机处理，携带空气折射率信息的电压信号转换成相应的折射率值显示出来。

在本实施例中，激光器11为532nm半导体激光器。经过理论仿真和选取不同厚度进行实验测试，得出石墨烯薄膜的最佳厚度范围为0.34nm-100nm。空气槽材料为有机玻璃，通过胶水粘贴在石墨烯薄膜23的上表面，扬声器密封置于其中。

图3为实际测得人经过扬声器发出的声波引起空气折射率变化所得的折射率随时间的变化结果曲线，图3显示几微米响应的信号可以很好的被该石墨烯表面波探测器探测，该探测器可以响应1纳秒-100毫秒的微弱折射率变化信号。