CN102692393B - 一种基于石墨烯偏振效应的折射率实时测定方法和装置 - Google Patents
一种基于石墨烯偏振效应的折射率实时测定方法和装置 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于石墨烯偏振效应的折射率实时测定方法和装置，该方法和装置属于材料、生物、化学等与折射率相关的领域。基于石墨烯偏振吸收效应，使用凸透镜将入射光聚焦到贴有石墨烯的棱镜和基底材料上，使用偏振分光将s偏振和p偏振的光分开，通过平衡探测器测量s偏振和p偏振的电信号差值，进而得到在会聚光聚焦处基底材料的折射率。当基底折射率发生变化时s偏振和p偏振的电信号差值也随之发生变化，这样不需要动任何器件即可实时监测出基底材料的复杂折射率。本发明适用于研究复杂、液体、折射率变化范围大、变化过程快的折射率实时变化情况。
Description
技术领域
本发明涉及一种折射率的实时测定领域，特别涉及一种基于石墨烯偏振吸收效应测量折射率的实时测定方法和装置。
背景技术
折射率测量在生物，医学，光学等诸多领域都有很广的应用。尤其对于液体浓度检测，液体成分鉴定等方面有较广应用。目前，用于测量折射率的方法有很多，如；掠入射法、薄膜干涉法等，这些方法都建立在传统的折射反射定律基础之上，各有所长，各具特色。但是，这些方法都只用于测量大量液体，均匀液体的折射率。然而，实际液体尤其是微流体的组成往往是复杂的、非均匀的，并且很多情况是极其微量的，如血液，组织液。对于这些液体，现有的方法很难微量的、大范围的、高响应的、实时监测这些液体的折射率变化。此外，对于待测的液体，现有的方法一般只能够得到一个折射率的数值。到目前为止，还很少有一种方法能够方便的实现在不需要动任何测量器件的基础上实现折射率的实时检测，并给出折射率的变化曲线。石墨烯材料具有优异的光学性能，当石墨烯置于棱镜上时，不同偏振的输入光在全反射下的反射率将强烈的依赖于基底材料的折射率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够实时监测材料折射率变化的方法和装置，以便更为快速准确的反应材料的改变或动态反应过程。
为实现上述目的，本发明所述方法的步骤如下：
第一步，将石墨烯贴合在棱镜上，并在石墨烯另一面附着基底材料；
第二步，使用圆偏振光或非偏振光入射，通过凸透镜会聚到带有石墨烯的棱镜和基底材料的交界面，使用偏振分光将全反射光分成s偏振和p偏振的两束光，分别用凸透镜聚焦后使用平衡探测器探测s偏振和p偏振的电信号。调节高度和棱镜角度使聚焦圆偏振光打在和石墨烯接触的基底材料上，并且在该界面发生全反射；
第三步，利用一定折射率的材料，如水或空气，作为标准材料，调节平衡探测器前的衰减片使得平衡探测器的输出信号为零；
第四步，基底材料折射的改变，例如通入不同折射率的NaCl水溶液，将引起平衡探测器输出电压信号的变化，存储该电压变化的幅度和时间；
第五步，分别使用第三步和第四步可以得出棱镜折射率N1和液体折射率N2的差值ΔN随s偏振信号和p偏振信号差，也就是平衡探测器输出电压信号的变化值ΔU的变化关系曲线；
第六步，由第五步得到的待测基底材料s偏振信号和p偏振信号差值ΔU，对应ΔN随ΔU的变化关系曲线即可实时监测微流体芯片内待测液体的折射率。
所述的棱镜的位置是固定的。
再一方面，本发明实施例的提供了一种利用石墨烯偏振吸收效应实时测定折射率的装置，该装置包括：
图1是使用本方法的光路平视图，图中，1是光源，2是凸透镜；3是棱镜/石墨烯/基底材料；4是偏振分光；5是反射镜；6是可调衰减片；7是凸透镜；8是平衡探测器；
本装置的具体实施步骤如下：
第一步，将石墨烯贴合在棱镜上，并在石墨烯另一面附着基底材料；
第二步，使用圆偏振光或非偏振光入射，通过凸透镜会聚到带有石墨烯的棱镜和基底材料的交界面，使用偏振分光将全反射光分成s偏振和p偏振的两束光，两种偏振的反射率不同，且其差别依赖于基底材料折射率，图2给出了三种不同折射率基底材料下的s偏振和p偏振光的反射率随入射角度的变化，分别用凸透镜聚焦后使用平衡探测器探测s偏振和p偏振的电信号。调节高度和棱镜角度使聚焦圆偏振光打在和石墨烯接触的基底材料上，并且在该界面发生全反射；
第三步，利用一定折射率的材料，如水或空气，作为标准材料，调节平衡探测器前的衰减片使得平衡探测器的输出信号为零；
第四步，基底材料折射的改变，例如通入不同折射率的NaCl水溶液，将引起平衡探测器输出电压信号的变化，存储该电压变化的幅度和时间；
第五步，分别使用第三步和第四步可以得出棱镜折射率N1和液体折射率N2的差值ΔN随s偏振信号和p偏振信号差，也就是平衡探测器输出电压信号的变化值ΔU的变化关系曲线。图3是ΔN随ΔU的变化关系曲线示意图；
第六步，由第五步得到的待测基底材料s偏振信号和p偏振信号差值ΔU，对应ΔN随ΔU的变化关系曲线即可实时监测微流体芯片内待测液体的折射率。图4是某微流体折射率变化曲线示意图。
附图说明
图1是光路平视图。
图2是s偏振和p偏振光下石墨烯棱镜结构的反射率随角度的变化
图3是ΔN随ΔU的变化关系曲线示意图。
图4是某微流体折射率变化曲线实验图。
Claims (9)
1.一种基于石墨烯偏振吸收效应测量折射率的实时测定方法，其特征在于，所述的方法包括：将具有二维结构的石墨烯贴附到棱镜上，将微流体通道贴附到石墨烯上，在微流体通道中通入待测液体，在石墨烯交界面对s偏振和p偏振光具有不同的吸收，从而造成全内反射时反射率不同，由于对两种偏振光吸收的差别依赖于待测液体的折射率，通过测量两种偏振光反射的差别来实时测定待测液体的折射率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据石墨烯偏振吸收效应实时测定的折射率包括：可与石墨烯界面相接触的液体材料的折射率；将微流体通道覆盖在石墨烯上，测量微流体通道中待测液体的折射率及其变化；液体中特定分子附着在石墨烯上引起的折射率变化。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，石墨烯与棱镜的结合可以是直接将石墨烯贴附到棱镜上，或先将石墨烯贴附到透明薄片上，然后通过折射率匹配液和棱镜相结合。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据石墨烯偏振吸收效应实时测定折射率的光学方法包括：利用偏振或非偏振的光源通过棱镜入射到石墨烯和微流体通道结合面上，调整入射角度使光在该界面发生全内反射；将全内反射的光通过偏振分光分成s偏振和p偏振的两部分；利用探测器测量s偏振和p偏振两束的光的光强差；根据探测器输出的带有光强差的电压信号来实时测定待测液体的折射率及其变化。
5.一种基于石墨烯偏振吸收效应测量折射率的实时测定装置，其特征在于，包括：光源，同时具有S偏振和P偏振两种偏振光，光源发出的光是圆偏振光、45度线偏振光或非偏振光；带有石墨烯的棱镜全反射结构单元，石墨烯贴合在棱镜上，将微流体通道贴附到石墨烯上，在微流体通道中通入待测液体，依赖于待测液体材料折射率的变化而对s偏振和p偏振产生不同的吸收；分光单元，将出射光分成s偏振和p偏振两束光；光强测量单元，同时测量s偏振和p偏振的光强加以比较，从而得出两种偏振光的相对变化。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，带有石墨烯的棱镜全反射结构单元包括：石墨烯与棱镜的结合可以是直接将石墨烯贴附到棱镜上，或先将石墨烯贴附到透明薄片上，然后通过折射率匹配液和棱镜相结合；将微流体通道贴附到石墨烯上，在微流体通道中通入待测液体。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，光强测量单元包括：s偏振和p偏振光强调节部分，通过可调衰减装置分别调节s偏振和p偏振光的强弱；测量器件，利用光电探测器件对s偏振和p偏振的光进行分别测量或利用平衡探测器对两种偏振的光同时测量。
8.根据权利要求5所述的测定装置，其特征在于，该测定装置中的光强测量单元还包括：数据采集单元，对探测器获得的光强信号加以采集处理。
9.根据权利要求5所述的测定装置，其特征在于，该测定装置中的光强测量单元对折射率测量实时性的响应时间取决于探测器的响应时间和数据采集速率的共同结果。
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