本發(fā)明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探測折射率的裝置和方法。

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(jìn)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(qiáng)來測量折射率，本發(fā)明的發(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。

本發(fā)明的發(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?，這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(yuǎn)，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(xì)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(jìn)而導(dǎo)致反射光強(qiáng)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。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提出一種基于石墨烯表面波的折射率探測裝置及其探測方法，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(qiáng)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。

本發(fā)明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(jìn)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(jìn)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(qiáng)度值轉(zhuǎn)換為電壓值；

采集芯片和計算機(jī)，采集光電探測器輸出的電壓值，通過計算機(jī)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(jìn)一步設(shè)置有樣品槽，樣品槽內(nèi)進(jìn)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。

本發(fā)明在待測介質(zhì)的樣品槽中設(shè)置了聲波發(fā)生裝置，當(dāng)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(jìn)而導(dǎo)致反射光強(qiáng)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(qiáng)度值轉(zhuǎn)換為電壓值輸入到采集芯片中，通過計算機(jī)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。

優(yōu)選地，所述探測光源裝置提供的光束為線偏振、圓偏振或橢圓偏振，光源的波長為單一波長、多波長或?qū)拵РㄩL。

優(yōu)選地，所述的聲波發(fā)生裝置為聲波發(fā)生器或揚聲器。

優(yōu)選地，所述的石墨烯膜通過化學(xué)氣相沉積方法、機(jī)械剝離方法、分子束外延法或氧化還原方法獲得。

優(yōu)選地，所述的耦合棱鏡為D形棱鏡、梯形棱鏡或三角形棱鏡。

優(yōu)選地，所述樣品槽中的待測樣品為固體、液體、氣體、等離子體、生物分子、生物組織或生物細(xì)胞。

優(yōu)選地，所述探測光源裝置進(jìn)一步包括激光器、準(zhǔn)直器、偏振片和1/2波片。

優(yōu)選地，所述信息光束提取裝置進(jìn)一步包括光束衰減器和偏振提取裝置，所述偏振提取裝置為偏振片、偏振分光棱鏡或偏振提取器。

優(yōu)選地，在探測光源裝置和折射率探頭之間可以進(jìn)一步設(shè)置透鏡以聚焦光束。

優(yōu)選地，所述石墨烯膜的厚度為0.34nm-100 nm。

本發(fā)明的另一個目的在于提供一種基于石墨烯表面波的高靈敏度超快折射率探測方法，該方法包括：

（1）向表面結(jié)合有石墨烯膜的基底上添加被測樣品，使樣品與石墨烯膜相接觸；

（2）向石墨烯膜上施加光束，所述光束為s偏振光或者包含s偏振分量的光；

（3）通過施加聲波使被測樣品的折射率在瞬間發(fā)生微小的變化，使石墨烯膜對表面波的吸收相應(yīng)變化，并通過用耦合棱鏡的反射光將對表面波的吸收變化反饋至信息光束提取裝置；

（4）經(jīng)過偏振提取、光電轉(zhuǎn)換、電信號收集以及計算處理后，測得被測樣品的折射率。

優(yōu)選地，所述的待測樣品為固體、液體、氣體、等離子體、生物分子、生物組織或生物細(xì)胞。

優(yōu)選地，所述石墨烯膜的厚度為0.34nm-100nm。

優(yōu)選地，該方法的響應(yīng)時間為1納秒-100毫秒。

優(yōu)選地，該方法的靈敏度和探測極限分別為1×10⁶mV/RIU和5×10^-6RIU

本發(fā)明的有益效果：

1）本發(fā)明通過向待測樣品中施加聲波，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，相對于現(xiàn)有技術(shù)中通過待測樣品中濃度的變化以使折射率發(fā)生變化的方式，采用聲波控制的方式能夠在瞬間完成樣品折射率的改變，其折射率的響應(yīng)時間僅為1納秒-100毫秒，大大縮短了響應(yīng)時間。

2）本發(fā)明通過控制聲波的施加強(qiáng)度，可以使樣品的折射率在更微小的范圍內(nèi)變化，結(jié)合石墨烯表面波吸收的靈敏折射率依賴效應(yīng)，可以通過吸收波的變化反饋出折射率的微小變化，本專利中靈敏度和探測極限分別為1×10⁶mV/RIU和5×10^-6RIU，遠(yuǎn)優(yōu)于其他基于表面等離子體技術(shù)和石墨烯技術(shù)的強(qiáng)度型折射率探測器。

3）本發(fā)明制備的基于石墨烯表面波的折射率探測器，通過棱鏡耦合探測，僅需要光源中包含s偏振光分量即可，其無需額外的透鏡匯聚光源，也無需采用偏振分光裝置將反射光分光為s偏振和p偏振，裝置中所有結(jié)構(gòu)固定，光路更為簡單。

4）本發(fā)明制備的基于石墨烯表面波的折射率探測器，折射率探頭可與待測樣品直接接觸，待測折射率材料不受限制，可以適用于多種物態(tài)（固、液、氣和等離子體態(tài)）和復(fù)雜折射率環(huán)境的高靈敏度超快探測。

5）本發(fā)明制備的基于石墨烯表面波的折射率探測器，采用計算機(jī)直接控制測量，操作簡單，易小型化集成陣列實現(xiàn)小體積、多通道的折射率探測。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一個實施例的示意圖；

圖2為本發(fā)明一個實施例的超快微弱聲波引起水折射率變化所得的折射率和電壓隨時間的變化結(jié)果曲線；

圖3為本發(fā)明一個實施例的實際測得人經(jīng)過揚聲器發(fā)出的聲波引起空氣折射率變化所得的折射率隨時間的變化結(jié)果曲線。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。實施例給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明并不限于以下實施例。

實施例1

如圖1所示，本實施例的裝置包括：探測光源裝置1、透鏡L、折射率探頭2、反射鏡M、信息光束提取裝置3、光電探測器4、采集芯片和計算機(jī)5；其中，探測光源裝置1包括激光器（波長633nm）11、準(zhǔn)直器12、偏振片13和1/2波片14；折射率探頭2包括D形石英耦合棱鏡21、石英片22、熱還原石墨烯膜23、水槽24、聲波發(fā)生器25；信息光束提取裝置3包括光束衰減器31和偏振片32。

本實施例的步驟包括：

1）采用熱還原方法將石墨烯膜23結(jié)合到石英片基底22上，石英片22通過折射率匹配油粘貼在D形石英耦合棱鏡21的反射面上；

2）在石墨烯膜23上安裝水槽24，將聲波發(fā)生器25的探頭置于水槽中；

3）探測光源裝置1發(fā)出s偏振光，經(jīng)透鏡L聚焦入射到折射率探頭2的D形石英耦合棱鏡21反射面，光束通過D形石英耦合棱鏡21、石英片22照射到石墨烯膜23上形成探測窗口，攜帶折射率信息的反射光經(jīng)過信息光束提取裝置3后由光電探測器4接收；

4）當(dāng)聲波發(fā)生器25產(chǎn)生聲波時，聲波在水中傳播會形成聲音壓力，該壓力使得水的折射率發(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23表面使石墨烯膜23對表面波的吸收發(fā)生快速微弱的變化，同時反射光強(qiáng)度發(fā)生相應(yīng)變化，攜帶水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，完全攜帶水折射率信息的s偏振分量光束由光電探測器4接收；

5）光電探測器將接收到的光強(qiáng)度值轉(zhuǎn)換為電壓值輸入到采集芯片中，通過計算機(jī)5處理，攜帶水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。

在本實施例中，激光器11為He-Ne激光器。經(jīng)過理論仿真和選取不同厚度進(jìn)行實驗測試，得出石墨烯薄膜的最佳厚度范圍為0.34nm-100nm。水槽材料為有機(jī)玻璃，其上下底面打成通孔，通過膠水粘貼在石墨烯薄膜23的上表面。

圖2為實際測得超快微弱聲波引起水折射率變化所得的折射率和電壓隨時間的變化結(jié)果，圖2顯示4×10^-5 RIU的折射率變化量可以被探測到，信噪比約為8，可計算探測極限為5×10^-6RIU，靈敏度為1×10⁶mV/RIU，圖2中顯示脈沖聲波引起水折射率變化的周期僅約為8納秒，該超快的響應(yīng)過程可以被準(zhǔn)確探測。

實施例2

本實施例的裝置包括：探測光源裝置1、折射率探頭2、反射鏡M、信息光束提取裝置3、光電探測器4、采集芯片和計算機(jī)5；其中，探測光源裝置1包括激光器11、準(zhǔn)直器12、偏振片13和1/2波片14；折射率探頭2包括D形玻璃耦合棱鏡21、玻璃基底22、化學(xué)氣相沉積石墨烯膜23、空氣槽24、揚聲器25；信息光束提取裝置3包括光束衰減器31和偏振分光棱鏡32。

本實施例的步驟包括：

1）將化學(xué)氣相沉積方法制備的石墨烯膜23轉(zhuǎn)移到玻璃基底22上，玻璃基底22通過折射率匹配油粘貼在D形玻璃耦合棱鏡21的反射面上；

2）在石墨烯膜23上安裝密閉空氣槽24，將揚聲器25置于密閉空氣槽中；

3）探測光源裝置1發(fā)出橢圓偏振光，直接入射到折射率探頭2的D形石英耦合棱鏡21反射面，光束通過D形玻璃耦合棱鏡21、玻璃基底22照射到石墨烯膜23上形成探測窗口，攜帶折射率信息的反射光經(jīng)過信息光束提取裝置3后由光電探測器4接收；

4）當(dāng)人通過揚聲器25產(chǎn)生聲波時，聲波在空氣中傳播會形成聲音壓力，該壓力使得空氣的折射率發(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23表面使石墨烯膜23對表面波的吸收發(fā)生快速微弱的變化，同時反射光強(qiáng)度發(fā)生相應(yīng)變化，攜帶等空氣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，完全攜帶空氣折射率信息的s偏振分量光束由光電探測器4接收；

5）光電探測器將接收到的光強(qiáng)度值轉(zhuǎn)換為電壓值輸入到采集芯片中，通過計算機(jī)處理，攜帶空氣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。

在本實施例中，激光器11為532nm半導(dǎo)體激光器。經(jīng)過理論仿真和選取不同厚度進(jìn)行實驗測試，得出石墨烯薄膜的最佳厚度范圍為0.34nm-100nm?？諝獠鄄牧蠟橛袡C(jī)玻璃，通過膠水粘貼在石墨烯薄膜23的上表面，揚聲器密封置于其中。

圖3為實際測得人經(jīng)過揚聲器發(fā)出的聲波引起空氣折射率變化所得的折射率隨時間的變化結(jié)果曲線，圖3顯示幾微米響應(yīng)的信號可以很好的被該石墨烯表面波探測器探測，該探測器可以響應(yīng)1納秒-100毫秒的微弱折射率變化信號。