專利名稱：一種基于石墨烯偏振效應(yīng)的折射率實時測定方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種折射率的實時測定領(lǐng)域，特別涉及一種基于石墨烯偏振吸收效應(yīng)測量折射率的實時測定方法和裝置。
背景技術(shù)：
折射率測量在生物，醫(yī)學(xué)，光學(xué)等諸多領(lǐng)域都有很廣的應(yīng)用。尤其對于液體濃度檢測，液體成分鑒定等方面有較廣應(yīng)用。目前，用于測量折射率的方法有很多，如；掠入射法、薄膜干渉法等，這些方法都建立在傳統(tǒng)的折射反射定律基礎(chǔ)之上，各有所長，各具特色。但是，這些方法都只用于測量大量液體，均勻液體的折射率。然而，實際液體尤其是微流體的組成往往是復(fù)雜的、非均勻的，并且很多情況是極其微量的，如血液，組織液。對于這些液體，現(xiàn)有的方法很難微量的、大范圍的、高響應(yīng)的、實時監(jiān)測這些液體的折射率變化。此外， 對于待測的液體，現(xiàn)有的方法一般只能夠得到一個折射率的數(shù)值。到目前為止，還很少有一種方法能夠方便的實現(xiàn)在不需要動任何測量器件的基礎(chǔ)上實現(xiàn)折射率的實時檢測，并給出折射率的變化曲線。石墨烯材料具有優(yōu)異的光學(xué)性能，當(dāng)石墨烯置于棱鏡上時，不同偏振的輸入光在全反射下的反射率將強(qiáng)烈的依賴于基底材料的折射率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供ー種能夠?qū)崟r監(jiān)測材料折射率變化的方法和裝置，以便更為快速準(zhǔn)確的反應(yīng)材料的改變或動態(tài)反應(yīng)過程。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所述方法的步驟如下第一步，將石墨稀貼合在棱鏡上，并在石墨稀另一面附著基底材料；第二步，使用圓偏振光或非偏振光入射，通過凸透鏡會聚到帶有石墨烯的棱鏡和基底材料的交界面，使用偏振分光將全反射光分成s偏振和ρ偏振的兩束光，分別用凸透鏡聚焦后使用平衡探測器探測S偏振和P偏振的電信號。調(diào)節(jié)高度和棱鏡角度使聚焦圓偏振光打在和石墨烯接觸的基底材料上，并且在該界面發(fā)生全反射；第三歩，利用一定折射率的材料，如水或空氣，作為標(biāo)準(zhǔn)材料，調(diào)節(jié)平衡探測器前的衰減片使得平衡探測器的輸出信號為零；第四步，基底材料折射的改變，例如通入不同折射率的NaCl水溶液，將引起平衡探測器輸出電壓信號的變化，存儲該電壓變化的幅度和時間；第五步，分別使用第三步和第四步可以得出棱鏡折射率NI和液體折射率N2的差值ΛΝ隨s偏振信號和ρ偏振信號差，也就是平衡探測器輸出電壓信號的變化值A(chǔ)U的變化關(guān)系曲線；第六歩，由第五步得到的待測基底材料s偏振信號和P偏振信號差值A(chǔ)U，對應(yīng)ΔΝ隨AU的變化關(guān)系曲線即可實時監(jiān)測微流體芯片內(nèi)待測液體的折射率。所述的棱鏡的位置是固定的。再一方面，本發(fā)明實施例的提供了ー種利用石墨烯偏振吸收效應(yīng)實時測定折射率的裝置，該裝置包括圖I是使用本方法的光路平視圖，圖中，I是光源，2是凸透鏡；3是棱鏡/石墨烯/基底材料；4是偏振分光；5是反射鏡；6是可調(diào)衰減片；7是凸透鏡；8是平衡探測器；本裝置的具體實施步驟如下第一步，將石墨稀貼合在棱鏡上，并在石墨稀另一面附著基底材料；第二步，使用圓偏振光或非偏振光入射，通過凸透鏡會聚到帶有石墨烯的棱鏡和基底材料的交界面，使用偏振分光將全反射光分成s偏振和P偏振的兩束光，兩種偏振的反射率不同，且其差別依賴于基底材料折射率，圖2給出了三種不同折射率基底材料下的s偏振和P偏振光的反射率隨入射角度的變化，分別用凸透鏡聚焦后使用平衡探測器探測s偏 振和P偏振的電信號。調(diào)節(jié)高度和棱鏡角度使聚焦圓偏振光打在和石墨烯接觸的基底材料上，并且在該界面發(fā)生全反射；第三歩，利用一定折射率的材料，如水或空氣，作為標(biāo)準(zhǔn)材料，調(diào)節(jié)平衡探測器前的衰減片使得平衡探測器的輸出信號為零；第四步，基底材料折射的改變，例如通入不同折射率的NaCl水溶液，將引起平衡探測器輸出電壓信號的變化，存儲該電壓變化的幅度和時間；第五步,分別使用第三步和第四步可以得出棱鏡折射率NI和液體折射率N2的差值ΛΝ隨s偏振信號和P偏振信號差，也就是平衡探測器輸出電壓信號的變化值A(chǔ)U的變化關(guān)系曲線。圖3是ΛΝ隨AU的變化關(guān)系曲線示意圖；第六歩，由第五步得到的待測基底材料s偏振信號和P偏振信號差值A(chǔ)U，對應(yīng)ΛΝ隨AU的變化關(guān)系曲線即可實時監(jiān)測微流體芯片內(nèi)待測液體的折射率。圖4是某微流體折射率變化曲線示意圖。


圖I是光路平視圖。圖2是s偏振和P偏振光下石墨烯棱鏡結(jié)構(gòu)的反射率隨角度的變化圖3是ΛΝ隨AU的變化關(guān)系曲線示意圖。圖4是某微流體折射率變化曲線實驗圖。
權(quán)利要求
1.一種基于石墨烯偏振吸收效應(yīng)測量折射率的實時測定方法，其特征在于，所述的方法包括將具有ニ維結(jié)構(gòu)的石墨烯貼附到棱鏡上，在石墨烯交界面對S偏振和P偏振光具有不同的吸收，從而造成全內(nèi)反射時反射率不同，由于對兩種偏振光吸收的差別依賴于基底材料的折射率，通過測量兩種偏振光反射的差別來實時測定基底材料的折射率。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，根據(jù)石墨烯偏振吸收效應(yīng)實時測定的折射率包括可與石墨烯界面相接觸的液體、溶液或具有粘附特性的材料的折射率；將微流體通道覆蓋在石墨烯上，測量微流體通道中液體或溶液的折射率及其變化；溶液中特定分子附著在石墨烯上引起的折射率變化。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，石墨烯與棱鏡的結(jié)合可以是直接將石墨烯貼附到棱鏡上，或先將石墨烯貼附到透明薄片上，然后通過折射率匹配液和棱鏡相結(jié)合。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，根據(jù)石墨烯偏振吸收效應(yīng)實時測定折射率的光學(xué)方法包括利用偏振或非偏振的光源通過棱鏡入射到石墨烯和待測材料或微流體通道結(jié)合面上，調(diào)整入射角度使光在該界面發(fā)生全內(nèi)反射；將全內(nèi)反射的光通過偏振分光分成s偏振和P偏振的兩部分；利用探測器測量s偏振和P偏振兩束的光的光強(qiáng)差；根據(jù)探測器輸出的帶有光強(qiáng)差的電壓信號來實時測定材料或溶液的折射率及其變化。
5.一種基于石墨烯偏振吸收效應(yīng)測量折射率的實時測定裝置，其特征在于，包括光源，同時具有S偏振和P偏振兩種偏振光，可以是圓偏振光、45度線偏振光或非偏振光；帶有石墨烯的棱鏡全反射結(jié)構(gòu)單元，依賴于與石墨烯接觸的基底材料折射率的變化而對S偏振和P偏振產(chǎn)生不同的吸收；分光單兀，將出射光分成S偏振和P偏振兩束光；光強(qiáng)測量單元，同時測量S偏振和P偏振的光強(qiáng)加以比較，從而得出兩種偏振光的相對變化。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，帶有石墨烯的棱鏡全反射結(jié)構(gòu)單元包括石墨烯與棱鏡的結(jié)合可以是直接將石墨烯貼附到棱鏡上，或先將石墨烯貼附到透明薄片上，然后通過折射率匹配液和棱鏡相結(jié)合；將待測材料貼附到棱鏡帶有石墨烯的一面，或?qū)⑽⒘黧w通道貼附到石墨烯上，在微流體通道中通入待測液體或溶液。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，光強(qiáng)測量単元包括s偏振和P偏振光強(qiáng)調(diào)節(jié)部分，通過可調(diào)衰減裝置分別調(diào)節(jié)S偏振和P偏振光的強(qiáng)弱；測量器件，利用光電探測器件，如光電ニ極管等對S偏振和P偏振的光進(jìn)行分別測量或利用平衡探測器對兩種偏振的光同時測量。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在干，該裝置還包括數(shù)據(jù)采集単元，對探測器獲得的光強(qiáng)信號加以采集處理。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，對折射率測量實時性的響應(yīng)時間取決于探測器的響應(yīng)時間和數(shù)據(jù)采集速率的共同結(jié)果。
全文摘要
一種基于石墨烯偏振效應(yīng)的折射率實時測定方法和裝置，該方法和裝置屬于材料、生物、化學(xué)等與折射率相關(guān)的領(lǐng)域。基于石墨烯偏振吸收效應(yīng)，使用凸透鏡將入射光聚焦到貼有石墨烯的棱鏡和基底材料上，使用偏振分光將s偏振和p偏振的光分開，通過平衡探測器測量s偏振和p偏振的電信號差值，進(jìn)而得到在會聚光聚焦處基底材料的折射率。當(dāng)基底折射率發(fā)生變化時s偏振和p偏振的電信號差值也隨之發(fā)生變化，這樣不需要動任何器件即可實時監(jiān)測出基底材料的復(fù)雜折射率。本發(fā)明適用于研究復(fù)雜、液體、折射率變化范圍大、變化過程快的折射率實時變化情況。
文檔編號G01N21/41GK102692393SQ20121019683
公開日2012年9月26日 申請日期2012年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月15日
發(fā)明者劉智波, 葉青, 田建國, 鄧志超, 邢飛 申請人:南開大學(xué)