技术领域
[0001] 本
发明涉及与折射率探测相关的物理、化学、
生物医学等技术领域，具体地涉及光学折射率探测领域，更具体而言，涉及一种基于
石墨烯表面波的高灵敏多光束折射率探测装置和方法。
背景技术
[0002] 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)。
[0003] 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，本发明的
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(10-4RIU)，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。
[0004] 本发明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。
[0005] 本发明的发明人还通过研究发现，一方面，在测量液体介质(如细胞液)时，液体介质内不同区域浓度存在差异，并且在
声波震动过程中，导致浓度差异变化，而浓度变化进而导致折射率变化，从而导致对待测物体折射率的测量结果准确度下降，另一方面，通过声波发生器发出的声波振动对基底及石墨烯膜产生影响，使得石墨烯膜以及基底产生震动，也会降低待测物体的检测
精度。
发明内容
[0006] 为改善上述技术问题，本发明提供了一种基于石墨烯表面波的高灵敏多光束折射率探测装置和方法以达到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，通过多束光线同时对被测介质的折射率进行测量以获得均值，实现了介质折射率的高灵敏度、高精度以及超快探测的目的，改善了传统的折射率测量方法灵敏度不高，而且响应时间较长以及检测精度较低的问题。
[0007] 为了实现上述技术效果，本发明所提供的技术方案是：一种基于石墨烯表面波的高灵敏多光束折射率探测装置，包括探测
光源装置、基于石墨烯的折射率
探头、信息光束提取装置、光电探测器、
数据采集芯片和计算机，所述探测光源装置发出有沿周向均匀间隔分布的多条光束，光束为s偏振光或者包含s偏振分量的光；
[0008] 所述折射率探头用于接收多条光束以在石墨烯上分别形成探测窗口，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各条反射光进一步分别反射至多个对应的所述信息光束提取装置中；
[0009] 各个信息光束提取装置分别接收带有折射率信息的各条反射光，且在各条反射光中进一步提取出各条s偏振光分量光束；各条s偏振光分量光束分别进入至设于对应
位置上的多个所述光电探测器，各个光电探测器分别将接收到的光强度值转换为
电压值且各个光电探测器分别电连接有数据采集芯片，各个数据采集芯片分别与所述计算机电连接；
[0010] 所述折射率探头包括由下至上依次连接的耦合棱镜、透明基底和结合于透明基底表面上的石墨烯膜，所述石墨烯膜的表面连接有样品槽，且样品槽的内部填充有待测样品，待测样品与石墨烯膜的表面直接
接触；所述样品槽的一端部可拆卸连接有声波发生装置，另一端部开设有多个通孔，各个通孔沿周向均匀间隔分布且分别与各条光束一一对应。
[0011] 进一步地，所述样品槽为喇叭状结构，且样品槽的大端部设有所述通孔，小端部
螺纹连接有套筒，套筒上密封连接有所述声波发生装置且套筒与样品槽的小端部之间设有
密封圈。
[0012] 进一步地，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。
[0013] 进一步地，所述的声波发生装置为声波发生器或扬声器。
[0014] 进一步地，所述石墨烯膜通过
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。
[0015] 进一步地，所述的耦合棱镜为D形棱镜、梯形棱镜或三
角形棱镜。
[0016] 进一步地，所述探测光源装置包括沿周向均匀间隔分布的多个
激光器，所述各个激光器的出光口前方均依次设有
准直器、偏振片和1/2波片。
[0017] 进一步地，所述信息光束提取装置包括光束
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。
[0018] 进一步地，所述折射率探头和各个探测光源装置之间均设置透镜以聚焦光束。
[0019] 进一步地，所述石墨烯膜的厚度为0.34nm-100nm。
[0020] 本发明还提供了一种基于石墨烯表面波的高灵敏多光束折射率探测方法，主要包括以下步骤：
[0021] (1)向样品槽内填充待测样品，样品槽连接于表面结合有石墨烯膜的透明基底上且样品槽的端部设有多个通孔，各个通孔使待测样品与石墨烯膜相接触；
[0022] (2)通过探测光源装置向石墨烯膜上施加多条光束，多条光束分别与步骤(1)中的各个通孔相对应，每条光束单独探测且不同点位的光束通道进行同时探测，所述光束为s偏振光或者包含s偏振分量的光；
[0023] (3)通过声波发生装置向样品槽内部的待测样品施加声波，使待测样品的折射率在瞬间发生微小的变化，石墨烯膜对表面波的吸收相应变化，并通过耦合棱镜的反射光将表面波的变化反馈至信息光束提取装置；
[0024] (4)通过信息光束提取装置通过偏振提取出各条s偏振光分量光束，各条s偏振光分量光束分别进入至各个光电探测器，各个光电探测器分别将接收到的光强度值转换为电压值；
[0025] (5)通过各个数据采集芯片分别采集各个光电探测器输出的电压值，并将采集数据传送至计算机，计算机进行分析处理，将电压信号转换成相应的折射率值显示出来，对各个折射率值求平均值以测得待测样品的折射率。
[0026] 进一步地，所述的待测样品为固体、液体、气体、
等离子体、生物分子、
生物组织或生物细胞。
[0027] 进一步地，所述步骤(1)中的样品槽内填充有液态介质或者气态介质，采用单独光束照射于石墨烯膜的表面上，再进行步骤(3)-步骤(5)得到由于声波振动对透明基底和石墨烯膜的影响产生的误差折射率，误差折射率用于对折射率进行校正。
[0028] 相比于
现有技术，本发明的有益效果是：
[0029] 1.本发明通过声波发生装置向待测样品中施加声波，声波在被测介质中传播以形成声波压力，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；且本发明还通过多条光束对待测液体介质的多点部位进行同时测量并数据采集，经过偏振提取、光电转换、
电信号收集以及计算机处理后，获取折射率的均值，提高了液体介质的折射率测量精度；
[0030] 2.本发明通过声波发生装置控制声波的施加强度，可以使待测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，本发明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；
[0031] 3.本发明通过在样品槽内填充液态介质或者气态介质后，光束不通过照射样品槽内部的样品介质，仅照射石墨烯膜，采集折射光束，形成误差折射率作为对照数据，对已测试的折射率数据进行校正，消除声波振动对基底和石墨烯膜在测试过程中产生影响，大大提升了折射率的检测精度；
[0032] 4.本发明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；
[0033] 5.本发明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(固体、液体、气体、等离子体、生物分子、生物组织或生物细胞)和复杂折射率环境的高灵敏度超快探测；
[0034] 6.本发明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；
[0035] 7.本发明的样品槽端部与声波发生装置之间采用可拆卸式的连接方式，安装方便快捷，有利于更换不同的样品介质进行测量且能够保证良好的
密封性，样品槽采用喇叭状的结构，能够对声波发生装置进行有效传输扩散至石墨烯膜的表面上，提升折射率的响应时间。
附图说明
[0036] 图1是本发明提供的基于石墨烯表面波的高灵敏多光束折射率探测装置的光路示意图；
[0037] 图2是本发明提供的基于石墨烯表面波的高灵敏多光束折射率探测装置中折射率探头的部分结构示意图；
[0038] 图3是图2的A向结构示意图；
[0039] 图4是本发明提供的
实施例中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；
[0040] 图5是本发明提供的实施例中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
[0041] 下面结合具体实施例对本发明作进一步详细介绍，以下文字的目的在于说明本发明，而非限制本发明的保护范围。
[0042] 如图1、图2、图3、图4及图5所示，本发明可按照如下方式实施，一种基于石墨烯表面波的高灵敏多光束折射率探测装置，包括探测光源装置1、基于石墨烯的折射率探头2、信息光束提取装置3、光电探测器4、数据采集芯片和计算机5，所述探测光源装置1发出有沿周向均匀间隔分布的多条光束，即多条光束环绕成圆环状排布且各条光束之间相互平行，光束为s偏振光或者包含s偏振分量的光；作为优选的，上述探测光源装置1发出有六条光束，六条光束之间相互平行以保证表面耦合时，每条光束的入射角度是一个精确的定值。
[0043] 所述折射率探头2用于接收多条光束以在石墨烯膜23上分别形成探测窗口，通过石墨烯膜23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各条反射光进一步分别反射至多个对应的所述信息光束提取装置3中；
[0044] 各个信息光束提取装置3分别接收带有折射率信息的各条反射光，且在各条反射光中进一步提取出各条s偏振光分量光束；各条s偏振光分量光束分别进入至设于对应位置上的多个所述光电探测器4，各个光电探测器4分别将接收到的光强度值转换为电压值且各个光电探测器4分别电连接有数据采集芯片，数据采集芯片将电压值转化为电信号传送至计算机5中，各个数据采集芯片分别与所述计算机5电连接；
[0045] 所述折射率探头2包括由下至上依次连接的耦合棱镜21、透明基底22和结合于透明基底22表面上的石墨烯膜23，所述石墨烯膜23的表面连接有样品槽24，且样品槽24的内部填充有待测样品，待测样品与石墨烯膜23的表面直接接触；所述样品槽24的一端部可拆卸连接有声波发生装置25，另一端部开设有多个通孔28，各个通孔28沿周向均匀间隔分布且分别与各条光束一一对应，以实现各条光束能够通过基底直接照射至石墨烯膜23的表面上。
[0046] 作为优选的，所述待测样品为固体、液体、气体、等离子体、生物分子、生物组织或生物细胞，待测折射率材料不受限制。
[0047] 所述样品槽24为喇叭状结构，喇叭状结构有利于声波直接传送至样品槽24的端部，且样品槽24的大端部设有所述通孔28，通孔28实现样品槽24内部的待测样品能够直接与石墨烯膜23的表面直接接触，小端部
螺纹连接有套筒26，套筒26上密封连接有所述声波发生装置25，套筒26与声波发生装置25的外壁通过
密封胶进行粘合连接，且套筒26与样品槽24的小端部之间设有密封圈27，密封圈27用于增加声波发生装置25与样品槽24之间密封性；所述样品槽24的小端部开设有沉头孔，沉头孔的大孔内壁上设有
内螺纹，内螺纹与所述声波发生装置25的外壁螺纹连接；沉头孔的小孔与所述声波发生装置25的探头端口相对应；作为优选的，所述声波发生装置25为声波发生器，声波发生器的外壁呈圆柱状结构。
[0048] 所述探测光源装置1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。
[0049] 所述石墨烯膜23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，石墨烯膜23可通过上述任意方法获得。
[0050] 所述的耦合棱镜21为D形棱镜、梯形棱镜或三角形棱镜，在实际的测试过程中，耦合棱镜21可采用D形棱镜、梯形棱镜或三角形棱镜中的任意一种。
[0051] 所述探测光源装置1包括沿周向均匀间隔分布的多个激光器11，所述各个激光器11的出光口前方均依次设有
准直器12、偏振片13和1/2波片14。
[0052] 所述信息光束提取装置3包括光束衰减器31和偏振提取装置32，所述偏振提取装置32为偏振片、偏振分光棱镜或偏振提取器。
[0053] 所述折射率探头2和各个探测光源装置1之间均设置透镜L以聚焦光束；所述折射率探头2与信息光束提取装置3之间依次设置有透镜L和反射镜M，透镜L用以聚焦光束，反射镜M用以改变光束的光路，以保证光束能够进入至信息光束提取装置3。
[0054] 所述石墨烯膜23的厚度为0.34nm-100nm，经过理论仿真和选取不同厚度进行实验测试，以得出石墨烯
薄膜的最佳厚度范围为0.34nm-100nm。
[0055] 具体实施例(一)：本发明还提供了一种基于石墨烯表面波的高灵敏多光束折射率探测方法，该方法的响应时间为1纳秒-100毫秒，该方法的灵敏度和探测极限分别为1×106mV/RIU和5×10-6RIU，主要包括以下步骤：
[0056] (1)向样品槽24内填充液态介质，通
过热还原方法将石墨烯膜23结合到采用
石英片材料制成的透明基底22上且在样品槽24的端部设有多个通孔28，各个通孔28使液态介质能够与石墨烯膜23的表面直接接触；且通过折射率匹配油粘贴在耦合棱镜21的反射面上，耦合棱镜21为采用石英材料制成的D形棱镜；
[0057] (2)声波发生装置25采用声波发生器，将声波发生器的探头置入样品槽24内部的液态介质中，通过探测光源装置1向石墨烯膜23上施加多条光束，光束为s偏振光，多条光束分别与步骤(1)中的各个通孔28相对应，每条光束单独探测且不同点位的光束通道进行同时探测；各条光束均经透镜L聚焦入射到折射率探头2的耦合棱镜21的反射面，各条光束通过耦合棱镜21、透明基底22照射到石墨烯膜23上形成探测窗口；
[0058] (3)通过声波发生器向样品槽24内部的液态介质中施加声波，声波在液态介质中传播会形成声音压力，使液态介质的折射率在瞬间发生微小的变化，折射率的快速微弱变化传播到石墨烯膜23表面，石墨烯膜23对表面波的吸收发生快速微弱的变化，并通过耦合棱镜21的反射光将表面波的变化反馈至信息光束提取装置3，同时反射光强度发生相应变化，携带液态介质的折射率信息的反射光经过信息光束提取装置3提取出s偏振光分量，完全携带液态介质折射率信息的s偏振分量光束由光电探测器4接收；
[0059] (4)通过信息光束提取装置3通过偏振提取出各条s偏振光分量光束，各条s偏振光分量光束分别进入至各个光电探测器4，各个光电探测器4分别将接收到的光强度值转换为电压值；
[0060] (5)通过各个数据采集芯片分别采集各个光电探测器4输出的电压值，并将采集数据转化为电压信号以传送至计算机5，计算机5进行分析处理，将电压信号转换成相应的折射率值显示出来，对各个折射率值求平均值以测得待测样品的折射率；
[0061] 在测试过程中，采用单独光束照射于石墨烯膜的表面上，由于单独光束与步骤(2)中的各条光束路径不同，则单独光束与样品槽端部的各个通孔均不对应，优选的，单独光束照射于石墨烯膜的表面中心位置处，此处石墨烯膜的表面与样品槽内的液态介质没有直接接触，再进行步骤(3)-步骤(5)得到由于声波振动对基底和石墨烯膜的影响产生的误差折射率，由于采用单独光束，在步骤(5)中则不需要进行求均值，得到的误差折射率则为对照数据，误差折射率对步骤(5)中的折射率进行校正，以消除声波振动对基底和石墨烯膜的影响产生的误差，进一步提高测试结果的检测精度。
[0062] 在本实施例中，激光器11为He-Ne激光器11；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；所述样品槽24的材料为有机玻璃，通过胶液态介质粘贴在石墨烯薄膜的上表面。
[0063] 图4为实际测得超快微弱声波引起液态介质折射率变化所得的折射率和电压随时间的变化结果，图4显示4×10-5RIU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4中显示脉冲声波引起液态介质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。
[0064] 本发明的实施例(二)：本发明还提供了一种基于石墨烯表面波的高灵敏多光束折射率探测方法，主要包括以下步骤：
[0065] (1)向样品槽24内填充气态介质，气态介质密封填充于样品槽24的内部，通过化学气相沉积方法将石墨烯膜23结合到采用玻璃材料制成的透明基底22上且在样品槽24的端部设有多个通孔28，各个通孔28使气体能够与石墨烯膜23的表面直接接触；且通过折射率匹配油粘贴在耦合棱镜21的反射面上，耦合棱镜21为采用玻璃材料制成的D形棱镜；
[0066] (2)声波发生装置25采用扬声器，将扬声器置入样品槽24内部的气态介质中，通过探测光源装置1向石墨烯膜23上施加多条光束，光束为椭圆偏振光，多条光束分别与步骤(1)中的各个通孔28相对应，每条光束单独探测且不同点位的光束通道进行同时探测；各条光束均经透镜L聚焦入射到折射率探头2的耦合棱镜21的反射面，各条光束通过耦合棱镜21、透明基底22照射到石墨烯膜23上形成探测窗口；
[0067] (3)通过扬声器向样品槽24内部的气态介质中施加声波，声波在气体体介质中传播会形成声音压力，使气态介质的折射率在瞬间发生微小的变化，折射率的快速微弱变化传播到石墨烯膜23表面，石墨烯膜23对表面波的吸收发生快速微弱的变化，并通过耦合棱镜21的反射光将表面波的变化反馈至信息光束提取装置3，同时反射光强度发生相应变化，携带气态介质的折射率信息的反射光经过信息光束提取装置3提取出s偏振光分量，完全携带气态介质折射率信息的s偏振分量光束由光电探测器4接收；
[0068] (4)通过信息光束提取装置3通过偏振提取出各条s偏振光分量光束，各条s偏振光分量光束分别进入至各个光电探测器4，各个光电探测器4分别将接收到的光强度值转换为电压值；
[0069] (5)通过各个数据采集芯片分别采集各个光电探测器4输出的电压值，并将采集数据转化为电压信号以传送至计算机5，计算机5进行分析处理，将电压信号转换成相应的折射率值显示出来，对各个折射率值求平均值以测得待测样品的折射率；
[0070] 在测试过程中，采用单独光束照射于石墨烯膜的表面上，由于单独光束与步骤(2)中的各条光束路径不同，则单独光束与样品槽端部的各个通孔均不对应，优选的，单独光束照射于石墨烯膜的表面中心位置处，此处石墨烯膜的表面与样品槽内的气态介质没有直接接触，再进行步骤(3)-步骤(5)得到由于声波振动对基底和石墨烯膜的影响产生的误差折射率，由于采用单独光束，在步骤(5)中则不需要进行求均值，得到的误差折射率则为对照数据，误差折射率可对步骤(5)得到的折射率进行校正，以消除声波振动对基底和石墨烯膜的影响产生的误差，进一步提高测试结果的检测精度。
[0071] 在本实施例中，激光器11采用532nm
半导体激光器11；经过理论仿真和选取不同厚度进行实验测试，得出石墨烯膜23的最佳厚度范围为0.34nm-100nm；样品槽24的材料为有机玻璃，通过胶液态介质粘贴在石墨烯膜23的上表面，扬声器密封置于其中。
[0072] 图5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5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。
[0073] 任何熟悉
本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以
权利要求所述的保护范围为准。
