CN105758511B - 一种基于石墨烯的超声探测装置及其探测方法和用途 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于石墨烯的超声探测装置及其探测方法和用途。本发明的超声探头采用石墨烯薄膜的上下表面分别粘贴棱镜和盛满水的水槽，探测光聚焦在棱镜的底面形成探测窗口，石墨烯薄膜具有光偏振吸收特性，超声波引起s偏振光和p偏振光的吸收发生不同响应的非线性变化，超声波信号通过光信号的强度差的变化转化为电信号；本发明通过全内反射这种特殊的石墨烯薄膜与光作用方式，能够探测传统超声换能器所不能探测的宽频超声信号；本发明制备的基于石墨烯的超声探测器，在全内反射点处探测到超声波信号，操作简单，易小型化集成阵列实现大面积的超声波探测。
Description
技术领域
本发明涉及超声探测技术，具体涉及一种基于石墨烯的超声探测装置及其探测方法。
背景技术
超声波是一种频率高于20000赫兹的声波，在医学、军事、工业、农业等诸多领域都有很广的应用。例如超声波探伤、测厚、测距、遥控和超声成像；超声焊接、钻孔、固体的粉碎、乳化、脱气、除尘；超声检测心脏、胎儿等等。目前，探测超声波的方法主要是用超声换能器进行探测。超声换能器是由压电材料制成，对压电晶片的共振频率的超声波探测灵敏度较高，因此能有效探测的频域范围有限，实际应用中会损失部分频率信息。此外，电子学背景噪声存在，压电材料越小噪声越大，这就限制了基于压电材料的探测器尺寸。到目前为止，还没有一种方法能在工艺简单、操作方便的基础上对宽频带的超声波进行探测。
发明内容
针对目前现有的超声波探测仪器不能探测宽频超声和尺寸瓶颈的问题，本发明提出了一种基于石墨烯的超声探测装置及其探测方法，利用石墨烯的光偏振吸收特性，通过选择合适的石墨烯的厚度和探测光的入射角度来对宽频超声波进行高灵敏探测。
本发明的一个目的在于提出一种基于石墨烯的超声探测装置。
本发明的基于石墨烯的超声探测装置包括：探测光装置、超声探头、偏振分束器、平衡探测器、放大器和示波器；其中，超声探头包括水槽、石墨烯薄膜和棱镜，石墨烯薄膜的下表面附着在透明的基底上，基底通过折射率匹配液粘贴在棱镜的表面，石墨烯薄膜的上表面粘贴盛满水的水槽，水槽的表面密封；探测光装置发出圆偏振光，经透镜聚焦后作为探测光，入射至超声探头的棱镜，聚焦在棱镜的底面，并在焦点处发生全内反射，在焦点处形成探测窗口；当位于探测窗口上的水槽里有超声波时，引起水的折射率变化；石墨烯薄膜具有光偏振吸收特性，引起s偏振光和p偏振光的吸收发生不同响应的非线性变化；从棱镜反射出来的光束携带着探测到的超声波的信息；经透镜聚焦后，通过偏振分束器分成s偏振光和p偏振光，分别由高带宽的平衡探测器的两个探头接收；s偏振光和p偏振光的强度差的变化转变成电压信号；经放大器后被示波器接收记录；超声波信号通过光信号的强度差的变化转化为可被探测的电压信号。
水槽包括水槽基板和通孔，在水槽基板内开设通孔，水槽基板的下表面密封粘贴在石墨烯薄膜的上表面，通孔内盛满水，水槽基板的上表面采用保鲜膜密封，从而水与石墨烯薄膜的上表面直接接触。
探测光装置包括：激光器、衰减片、起偏器和1/4玻片或1/2玻片；其中，激光器发出激光，通过衰减片调节强度后，通过起偏器变为线偏振光，经过1/4玻片或1/2玻片转为圆偏振光。
石墨烯薄膜为石墨烯单晶，采用化学气相沉积法或机械剥离法制备，或者采用氧化石墨烯还原制备。
石墨烯薄膜附着在透明的基底上，基底采用石英片，石英片通过折射率匹配液与棱镜紧密贴合。
石墨烯薄膜的上下表面分别为水和棱镜，探测光在棱镜与水的界面的入射角为全反射角。
石墨烯材料具有优异的光学性能，将石墨烯薄膜置于棱镜上，在全内反射条件下，石墨烯薄膜的表现出明显的偏振依赖吸收特性，对s偏振光吸收较大，p偏振光吸收较小；当附近有超声波信号时，超声波改变水的折射率，由于石墨烯薄膜特有的光偏振吸收特性，与石墨烯薄膜接触的水的折射率改变，引起s偏振光和p偏振光的吸收发生不同响应的非线性变化，经平衡探测器探测到的两信号做差并转变成电压信号，放大后，便可得到超声波信息，超声波的强度与电压信号成正比，可以实现灵敏的宽频带超声波的探测。
平衡探测器探测到的信号经过放大器，提高信噪比，放大信号；平衡探测器采用高带宽平衡探测器，频率从直流到150MHz带宽；经平衡探测器后，信号通过高带宽的示波器采集显示。
本发明的另一个目的在于提供一种基于石墨烯的超声探测方法。
本发明的基于石墨烯的超声探测方法，包括以下步骤：
1)制备超声探头：
将石墨烯薄膜转移或直接制备到透明的基底上，石墨烯薄膜的下表面附着在透明的基底上，基底通过折射率匹配液粘贴在棱镜的表面，石墨烯薄膜的上表面粘贴盛满水的水槽，水槽的表面密封；
2)搭建光路：
探测光装置发出圆偏振光，经透镜聚焦后作为探测光，入射至超声探头的棱镜，聚焦在棱镜的底面的石墨烯薄膜上，并在焦点处发生全内反射，在焦点处形成探测窗口，从棱镜全反射出来的光束，通过偏振分束器分成s偏振光和p偏振光，分别由平衡探测器的两个探头接收；
3)超声波探测：
当位于探测窗口上的水槽内有超声波时，引起水的折射率的变化；石墨烯薄膜具有光偏振吸收特性，引起s偏振光和p偏振光的吸收发生不同响应的非线性变化；从棱镜反射出来的光束携带着探测到的超声波的信息；高带宽的平衡探测器的两个探头分别接收s偏振光和p偏振光，在全反射角附近调节探测光的入射角，将入射角调节到信号最大时的角度，得到s偏振光和p偏振光的强度差的变化转变成电压信号；经放大器后被示波器接收记录；超声波信号通过光信号的强度差的变化转化为可被探测的电压信号。
本发明的又一目的在于提供一种基于石墨烯的超声探测装置用于超声探测的用途。
本发明的优点：
(1)本发明通过全内反射这种特殊的石墨烯薄膜与光作用方式，能够探测传统超声换能器所不能探测的宽频超声信号；
(2)本发明制备的基于石墨烯的超声探测器，在全内反射点处探测到超声波信号，操作简单，易小型化集成阵列实现大面积的超声波探测。
附图说明
图1为本发明的基于石墨烯的超声探测装置的一个实施例的示意图；
图2为本发明的基于石墨烯的超声探测装置的一个实施例的超声探头的示意图；
图3为本发明的基于石墨烯的超声探测装置的灵敏度响应图；
图4为本发明的基于石墨烯的超声探测装置从0KPa～50KPa的压强线性响应图；
图5为本发明的基于石墨烯的超声探测装置的频谱响应图。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
如图1所示，本实施例的基于石墨烯的超声探测装置包括：探测光装置1、超声探头2、偏振分束器3、平衡探测器4、放大器5和示波器6；其中，超声探头2包括水槽21、石墨烯薄膜22和棱镜23，石墨烯薄膜22的下表面附着在透明的基底上，基底通过折射率匹配液粘贴在棱镜23的表面，石墨烯薄膜22的上表面粘贴盛满水的水槽21，水槽的表面采用保鲜膜密封，如图2所示；探测光装置包括：激光器11、衰减片12、起偏器13和1/4玻片14，激光器11发出激光，通过衰减片12调节强度后，通过起偏器13变为线偏振光，经过1/4玻片14转为圆偏振光，经透镜L聚焦后作为探测光，入射至超声探头的棱镜23，聚焦在棱镜的底面上，并在焦点处发生全内反射，在焦点处形成探测窗口；水槽上方放置超声换能器，超声换能器发出超声波，引起水的折射率的变化；从棱镜全反射出来的光束携带着探测到的超声波的信息；由平面镜反射后经透镜L聚焦至偏振分束器3，分成s偏振光和p偏振光，分别由高带宽的平衡探测器4的两个探头接收，s偏振光和p偏振光的强度差的变化转变成电压信号；经放大器5后被示波器6接收记录；超声波信号通过光信号的强度差的变化改变转化为可被探测的电压信号。
在本实施例中，激光器11采用HeNa激光器，起偏器13采用偏振片。石墨烯薄膜22贴合在石英片上。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为8nm。在水槽基板内打出通孔，形成水槽，水槽基板的材料采用有机玻璃，具有通孔的水槽基板的下表面粘贴在石墨烯薄膜的上表面。
水槽上方放置的超声换能器发出超声波，当发出超声波的压强为37.24KPa，得到信号的信噪比snr＝0.408/0.055＝7.418；算出的灵敏度：5.02KPa，如图3所示。
当超声换能器发出的超声波的压强范围从0～50KPa变化时，本实施例的超声探测装置测量得到的电压信号呈现线性的响应，如图4所示。
用532nm的激光激发出宽频的超声波，探测此超声波，本发明的探测器在-3dB衰减处的频率约为105MHz，实现了宽频的探测，如图5所示。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种基于石墨烯的超声探测装置，其特征在于，所述超声探测装置包括：探测光装置、超声探头、偏振分束器、平衡探测器、放大器和示波器；其中，超声探头包括水槽、石墨烯薄膜和棱镜，石墨烯薄膜的下表面附着在透明的基底上，基底通过折射率匹配液粘贴在棱镜的表面，石墨烯薄膜的上表面粘贴盛满水的水槽，水槽的表面密封；探测光装置发出圆偏振光，经透镜聚焦后作为探测光，入射至超声探头的棱镜，聚焦在棱镜的底面，并在焦点处发生全内反射，在焦点处形成探测窗口；当位于探测窗口上的水槽里有超声波时，引起水的折射率变化；石墨烯薄膜具有光偏振吸收特性，引起s偏振光和p偏振光的吸收发生不同响应的非线性变化；从棱镜反射出来的光束携带着探测到的超声波的信息；经透镜聚焦后，通过偏振分束器分成s偏振光和p偏振光，分别由高带宽的平衡探测器的两个探头接收；s偏振光和p偏振光的强度差的变化转变成电压信号；经放大器后被示波器接收记录；超声波信号通过光信号的强度差的变化转化为电压信号。
2.如权利要求1所述的超声探测装置，其特征在于，所述探测光装置包括：激光器、衰减片、起偏器和1/4玻片或1/2玻片；其中，激光器发出激光，通过衰减片调节强度后，通过起偏器变为线偏振光，经过1/4玻片或1/2玻片转为圆偏振光。
3.如权利要求1所述的超声探测装置，其特征在于，所述石墨烯薄膜为石墨烯单晶，采用化学气相沉积法或机械剥离法制备，或者采用氧化石墨烯还原制备。
4.如权利要求1所述的超声探测装置，其特征在于，所述石墨烯薄膜附着在透明的基底上，基底采用石英片，石英片通过折射率匹配液与棱镜紧密贴合。
5.如权利要求1所述的超声探测装置，其特征在于，所述水槽的表面采用保鲜膜密封。
6.一种基于石墨烯的超声探测方法，其特征在于，所述超声探测方法包括以下步骤：
1)制备超声探头：
将石墨烯薄膜转移或直接制备到透明的基底上，石墨烯薄膜的下表面附着在透明的基底上，基底通过折射率匹配液粘贴在棱镜的表面，石墨烯薄膜的上表面粘贴盛满水的水槽，水槽的表面密封；
2)搭建光路：
探测光装置发出圆偏振光，经透镜聚焦后作为探测光，入射至超声探头的棱镜，聚焦在棱镜的底面的石墨烯薄膜上，并在焦点处发生全内反射，在焦点处形成探测窗口，从棱镜反射出来的光束，通过偏振分束器分成s偏振光和p偏振光，分别由平衡探测器的两个探头接收；
3)超声波探测：
当位于探测窗口上的水槽内有超声波时，引起水的折射率的变化；石墨烯薄膜具有光偏振吸收特性，引起s偏振光和p偏振光的吸收发生不同响应的非线性变化；从棱镜反射出来的光束携带着探测到的超声波的信息；高带宽的平衡探测器的两个探头分别接收s偏振光和p偏振光，在全反射角附近调节探测光的入射角，将入射角调节到信号最大时的角度，得到s偏振光和p偏振光的强度差的变化转变成电压信号；经放大器后被示波器接收记录；超声波信号通过光信号的强度差的变化转化为电压信号。
7.如权利要求6所述的超声探测方法，其特征在于，在步骤1)中，所述石墨烯薄膜采用化学气相沉积法或机械剥离法制备，或者采用氧化石墨烯还原制备。
8.如权利要求6所述的超声探测方法，其特征在于，在步骤1)中，所述石墨烯薄膜附着在透明的基底上，基底采用石英片，石英片通过折射率匹配液与棱镜紧密贴合。
9.如权利要求6所述的超声探测方法，其特征在于，在步骤2)中，激光器发出激光，通过衰减片调节强度后，通过起偏器变为线偏振光，经过1/4玻片或1/2玻片转为圆偏振光。
10.一种如权利要求1所述的基于石墨烯的超声探测装置用于超声探测的用途。
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| 《纳米传感界面的构建及其生物分析检测研究》;黄春芳;《中国博士学位论文全文数据库工程科技Ⅰ辑》;20150515;第5814页-第5821页 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN105758511A (zh) | 2016-07-13 |
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