一种基于石墨烯纳米带阵列光栅的激光偏振方向检测装置及检测方法与流程

本发明涉及纳米材料以及光学技术领域，具体涉及一种基于石墨烯纳米带阵列光栅的激光偏振方向检测装置。

背景技术：

偏振光在物理和化学研究中具有广泛应用，目前有多种检测光偏振方向的方法和装置都具有较大的局限性，比如由检偏器和四分之一波片构成的测试装置，肉眼观察入射光强度变化，只能运用于可见光的定性检测；如果测量激光stokes参量检测偏振性，不仅使用较为复杂，而且无法做到对激光工作状态下进行原位检测，而在实验中，对激光进行实时的原位检测能够大大提升实验效率，并且保证检测结果不收其他因素干扰。

技术实现要素：

为了克服以上不足，本发明提供一种基于石墨烯纳米带阵列光栅的激光偏振方向检测装置，可以进行实时的原位检测光的偏振方向，主要通过以下技术手段来解决。

一种基于石墨烯纳米带阵列光栅的激光偏振方向检测装置，包括前板和后板，所述前板和后板之间由上下两块弧形板连接；所述前板的中心位置设置有光栅旋转台，光栅旋转台的中心位置放置有光栅；所述后板的中心位置设置有同步旋转台，该同步旋转台与前板上的光栅旋转台通过两根旋转同步杆连接；所述同步旋转台上设置有拉曼背散射信号收集面，该拉曼背散射信号收集面的中心位置设置有激光入射口。

一种基于石墨烯纳米带阵列光栅的激光偏振方向检测方法，包括如下步骤：

步骤1：以干净的au(111)近邻单晶台阶面为基底用自下而上法制备原子级精确石墨烯纳米带阵列；

步骤2：将制备的石墨烯纳米带阵列转移到透明衬底上，制成光栅；

步骤3：采用偏振拉曼散射光谱标定光栅y轴和x轴；

步骤4：将光栅安装在检测装置的光栅旋转台上，y轴与信号采集条平行，光栅可以在装置上旋转，信号采集条通过同步旋转杆与光栅同步旋转；

步骤5：检测装置置于光路中，入射激光穿过入射孔，照在光栅上；

步骤6：旋转光栅检测不同角度拉曼背散射强度，强度最强是y轴方向即为偏振方向。

作为优选，所述步骤（1）中，所述的au基底为晶面指数在（111）附近的近邻台阶单晶晶面。

作为优选，所述步骤（1）中，采用自下而上法生长石墨烯纳米带阵列。

作为优选，检测拉曼背散射信号时光栅常数d在纳米级别，远小于激光波长，使拉曼散射光集中。

作为优选，光信号结构区域分布在于光栅y轴平行的一小条区域，与光栅同步旋转，极大降低装置成本。

作为优选，当光栅y轴与入射激光偏正方向平行时，拉曼散射强度最大。

本发明的有益效果是：本发明对任意波长的激光都能进行检测，应用范围广；使用时不对激光光路进行任何改变，使用方便；可以在光路工作状态下进行实时的原位检测，能够集成在需要的仪器中作为检测工具。

附图说明

图1是检测装置结构示意图。

图2是光栅制备流程和装置工作示意图。

图3是石墨烯纳米带阵列偏振拉曼光强度极化图。

图4是x轴上衍射强度分布图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，一下结合具体实施案例对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

实施例一：一种基于石墨烯纳米带阵列光栅的激光偏振方向检测装置，包括前板和后板，所述前板和后板之间由上下两块弧形板连接；所述前板的中心位置设置有光栅旋转台，光栅旋转台的中心位置放置有光栅；所述后板的中心位置设置有同步旋转台，该同步旋转台与前板上的光栅旋转台通过两根旋转同步杆连接；所述同步旋转台上设置有拉曼背散射信号收集面，该拉曼背散射信号收集面的中心位置设置有激光入射口。

实施例二：一种基于石墨烯纳米带阵列光栅的激光偏振方向检测方法，包括如下步骤：

步骤1：以干净的au(111)近邻单晶台阶面为基底用自下而上法制备原子级精确石墨烯纳米带阵列；

步骤2：将制备的石墨烯纳米带阵列转移到透明衬底上，制成光栅；

步骤3：采用偏振拉曼散射光谱标定光栅y轴和x轴；

步骤4：将光栅安装在检测装置的光栅旋转台上，y轴与信号采集条平行，光栅可以在装置上旋转，信号采集条通过同步旋转杆与光栅同步旋转；

步骤5：检测装置置于光路中，入射激光穿过入射孔，照在光栅上；

步骤6：旋转光栅检测不同角度拉曼背散射强度，强度最强是y轴方向即为偏振方向。

为了更好说明，将光栅平面内垂直于石墨烯纳米带阵列生长方向命名y轴，垂直于y轴的为x轴。

超高真空环境中，选用dbba为前驱体，在干净的au(111112)台阶面上外延生长n=7扶手椅型石墨烯纳米带阵列。

将石墨烯纳米带阵列转移到pmma基底上，制成光栅。

通过偏振拉曼测量标定光栅的y轴和x轴，在不同角度下，用波长为532nm的偏振激光照射光栅，检测拉曼散射强度，不同角度偏振光的信号强度如图3所示，将拉曼强度最强的角度标定为y轴，与y轴垂直的为x轴。

将光栅安装在装置上，通过光栅旋转结台自由旋转。

n=7扶手椅型石墨烯纳米带的宽度为0.73nm，在au(111112)上生长的阵列中纳米带间距为1nm左右，即石墨烯纳米带阵列制备的光栅a=0.73nm，d=1nm；根据衍射强度分布公式，得到x轴上强度分布曲线如图4所示；可以发现，x轴上所有的光强都集中分布在的角度上。

石墨烯纳米带阵列的拉曼散射中所有峰都具有明显的偏振效应。理论中，石墨烯纳米带阵列的拉曼散射光的强度与cos²θ呈正比，其中θ=0时激光偏振方向平行于纳米带生长方向，因此，检测纳米带阵列拉曼散射光的强度，就可以检测出入射光的偏振方向。

单层石墨烯具有高透光度的特性，单层石墨烯纳米带同样具有高透光性，将石墨烯纳米带阵列转移到透明基底上制备成光栅后，整个光栅依然具有良好的透光性；只有很少量的激光参与了石墨烯纳米带的拉曼散射，因此加入光栅对原光路的使用造成的影响很小，同时检测装置可以在激光工作状态下进行实时的原位检测。

收集石墨烯纳米带阵列的背散射拉曼信号，可以极大减少透射光和瑞利散射对拉曼信号的影响。

石墨烯纳米带阵列具有规则的间隙，收集石墨烯纳米带的拉曼散射光时，石墨烯纳米带相当于光栅中的狭缝，石墨烯纳米带的间距为光栅常数d，石墨烯纳米带的宽度为狭缝宽度a，衍射光栅的强度分布公式为：

其中d是衍射因子：

i是干涉因子：

n为参与的光栅个数，本发明中采用自下而上法制备的石墨烯纳米带宽度和间距都为纳米级别，即对常用激光而言，光栅常数d和狭缝宽度a都远小于散射光波长；此时，散射光在x轴上的强度分布集中在狭窄的0级亮条纹上，因此，安装在x轴θ=0附近，与y轴同步旋转的的一个小条纹区域中的光信号采集传感器能够收集几乎所有的拉曼散射信号。

拉曼散射信号比原激光信号弱很多，因此装置中使用光电倍增管靶面作为光信号传感器，靶面为一个狭长的长方形，长方向与y轴平行且同步旋转，短方向沿x轴，位于附近，由于x轴上所有的光强都集中分布在的角度上，此靶面足以收集所有拉曼散射信号，减少成本。

装置使用过程中，将入射光通过激光入射口摄入，照射到光栅上，由于光栅具有良好透光性，对激光干扰很小，因此不会对原光路的使用造成影响；此时旋转光栅的光电传感预期，观察背散射拉曼信号强度，强度最大时，光栅y轴即为入射激光的偏正方向。

上面所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和保护范围进行限定，在不脱离本发明构思的前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应在本发明的保护范围之内。