CN106442424B - 利用石墨烯太赫兹表面等离子效应的酒精浓度测量装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用石墨烯太赫兹表面等离子效应的酒精浓度测量装置及其方法。本装置中的高阻硅棱镜下表面依次布置二氧化硅薄膜、单层石墨烯、二氧化硅薄膜、待测酒精溶液和高阻硅衬底。太赫兹时域谱装置测量被硅棱镜反射的太赫兹脉冲信号，经过傅里叶变换后可得到频率‑反射系数曲线。石墨烯太赫兹表面等离子效应可在频率‑反射系数曲线上产生谐振峰，该谐振峰随酒精浓度变化移动。太赫兹时域谱分辨率小于1GHz，本测量装置中待测溶液从纯水到纯酒精变化时反射系数曲线的谐振峰移动大于800GHz，使得该测量装置测量酒精浓度的精度达到千分之二以上。
Description
技术领域
本发明属于太赫兹波技术领域，涉及一种利用石墨烯太赫兹表面等离子效应的酒精浓度测量装置。
背景技术
太赫兹(Terahertz or THz)波通常是指频率在0.1～10THz区间的电磁波，其光子的能量约为1～10meV，正好与分子振动及转动能级之间跃迁的能量大致相当。大多数极性分子如水分子、氨分子等对THz辐射有强烈的吸收，许多有机大分子(DNA、蛋白质等)的振动能级和转动能级之间的跃迁也正好在THz波段范围。因此，物质的THz光谱(包括发射、反射和透射光谱)包含有丰富的物理质和化学信息，其吸收和色散特性可以用来做爆炸物、药物等化学及生物样品的探测和识别，在物理学、化学、生物医学、天文学、材料科学和环境科学等方面具有重要的应用价值。
石墨烯是一种只有单层碳原子厚度的六边蜂巢形状的二维材料，自2004年发现以来，越来越受人们重视，具有极其广泛的应用前景。石墨烯是世界上强度最高的材料(200倍于钢)，有很高的导热(5300W/mK)和导电性(50Ω/cm)，有极高的比表面积(2630m2/g)，有高弹性高硬度(130GPa)。石墨烯的化学反应性强，容易与其他化学物质反应形成化合物，还能承受电离辐射，同时很轻盈，具有类似于碳纤维的韧性，而焦耳效应比碳纤维更小。石墨烯在THz波段可以很好的支持表面等离子激元，在传感、通信等方面有许多潜在的应用。
溶液浓度是一个重要物理量,在化工、冶金、造纸、酿酒、制糖、环保行业及科研等领域都常常需要对溶液浓度进行测量。其中特别是酒精类饮品是国家控制产品,对其中的乙醇含量有严格规定。快速准确地测定饮品中乙醇含量在食品工业质量控制中十分重要。由于溶液的折射率与吸收率等光学参数与其浓度和温度直接相关因此通过测量溶液的光学参数来测量溶液浓度是常用的方法之一，例如光纤传感器、红外及拉曼谱测量法等等。同膜分离结合酶法等电化学学方法相比,这类具有测量速度快,精度高,尤其适合易燃易爆等场所测量。近红外、中红外及拉曼光谱已经应用于饮品中乙醇含量的测量，但在测量方法建立初期,需要完成大批量实验以建立起化学计量模型。而且模型多以光强度信号或与强度直接相关的量的变化实现被测量的感知,对光源的稳定性要求极高,而且计算复杂。
发明内容
本发明目的是克服现有电化学法和光谱法测量饮品中酒精浓度的不足，提供一种利用石墨烯太赫兹表面等离子效应的酒精浓度测量装置。
本发明的技术方案如下：
本发明公开了一种利用石墨烯太赫兹表面等离子效应的酒精浓度测量装置，包括高阻硅三角棱镜(1)、第一二氧化硅薄膜(2)、单层石墨烯(3)、第二二氧化硅薄膜(4)、待测酒精溶液(5)、高阻硅衬底(6)、飞秒激光器(7)、斩波器(8)、分束器(9)、光电导天线(10)、第一抛面镜(11)、第一聚四氟乙烯透镜(12)、第二聚四氟乙烯透镜(13)、第二抛面镜(14)、薄膜分束镜(15)、ZnTe晶体(16)、四分之一波片(17)、沃拉斯顿棱镜(18)、光电平衡探测器(19)、锁相放大器(20)、计算机(21)、第一反射镜(22)、延迟线(23)、第二反射镜(24)；
飞秒激光器(7)产生的飞秒激光脉冲光路上顺次设有斩波器(8)、分束器(9)，分束器(9)将飞秒激光脉冲光分为较强的泵浦光和较弱的探测光；泵浦光光路上设有光电导天线(10)，光导天线(10)激发的太赫兹波顺次经过第一抛面镜(11)、第一聚四氟乙烯透镜(12)，经第一聚四氟乙烯透镜(12)聚焦后的太赫兹波入射到高阻硅三角棱镜(1)一侧表面上，在透射到第一二氧化硅薄膜(2)、单层石墨烯(3)、第二二氧化硅薄膜(4)、待测酒精溶液(5)、再经高阻硅衬底(6)的上表面反射返回到高阻硅三角棱镜(1)，太赫兹波出射高阻硅三角棱镜(1)后顺次经过第二聚四氟乙烯透镜(13)、第二抛面镜(14)、薄膜分束镜(15)；探测光光路上顺次设有第一反射镜(22)、延迟线(23)、第二反射镜(24)、薄膜分束镜(15)；
太赫兹波透过薄膜分束镜(15)到达ZnTe晶体(16)，与被薄膜分束镜(15)反射的探测光汇合，再透过ZnTe晶体(16)、四分之一波片(17)、沃拉斯顿棱镜(18)后被光电平衡探测器(19)探测；光电平衡探测器(19)、锁相放大器(20)、计算机(21)顺次相连。
待测酒精浓度测量步骤如下：
1)在高阻硅衬底(6)和第二二氧化硅薄膜(4)之间放置未知浓度的待测酒精溶液(5)；
2)飞秒激光器(7)产生飞秒激光脉冲光源，经过斩波器(8)，被分束器(9)分为较强的泵浦光和较弱的探测光，泵浦光射向光电导天线(10)激发THz脉冲，THz脉冲经过经第一抛面镜(11)准直，再经第一聚四氟乙烯透镜(12)聚焦入射到高阻硅三角棱镜(1)一侧表面上，在透射到第一二氧化硅薄膜(2)、单层石墨烯(3)、第二二氧化硅薄膜(4)、待测酒精溶液(5)、再经高阻硅衬底(6)的上表面反射返回到高阻硅三角棱镜(1)，太赫兹波出射棱镜后被第二聚四氟乙烯透镜(13)准直后，被第二抛面镜(14)聚焦，并透过薄膜分束镜(15)到达ZnTe晶体(16)，与经过第一反射镜(22)、延迟线(23)和第二反射镜(24)并被薄膜分束镜(15)反射的探测光汇合，探测光透过ZnTe晶体(16)、四分之一波片(17)、沃拉斯顿棱镜(18)后被光电平衡探测器(19)探测，所测电信号被锁相放大器放大后送入计算机(21)得到太赫兹脉冲的时域波形，经过傅里叶变换后得到反射系数的频率变化曲线；
3)光导天线激发的太赫兹波脉冲在0.1～2.5THz范围，频率间隔小于1GHz，被光电平衡探测器探测得太赫兹脉冲的时域波形经过傅里叶变换后得到棱镜反射系数的频率变化曲线；
4)根据未知浓度的待测酒精溶液测得的太赫兹反射系数曲线,计算谐振峰位置并代入由标准溶度-谐振峰测量校正曲线得到待测酒精溶液的精确浓度。
标准溶度-谐振峰测量校正曲线通过如下步骤得到：
1)在高阻硅衬底和第二二氧化硅薄膜之间分别放置纯水、5％、10％、15％、20％、25％、30％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％、100％的标准酒精溶液；
2)光导天线激发的太赫兹波脉冲在0.1～2.5THz范围，频率间隔小于1GHz，被光电平衡探测器探测到的太赫兹脉冲的时域波形经过傅里叶变换后得到棱镜反射系数的频率变化曲线；
3)在测量所有标准溶液的太赫兹反射系数曲线后，计算谐振峰位置并与溶液浓度数据一起建立标准溶度-谐振峰测量校正曲线,从纯水到纯酒精变化过程中，反射系数曲线上的谐振峰移动能达800GHz以上，使得测量酒精浓度精度达到0.2％以上。
本装置中的高阻硅三角棱镜下表面依次布置二氧化硅薄膜、单层石墨烯、二氧化硅薄膜、待测酒精溶液和高阻硅衬底。太赫兹时域谱装置测量被硅棱镜反射的太赫兹脉冲信号，经过傅里叶变换后可得到频率-反射系数曲线。石墨烯太赫兹表面等离子效应可在频率-反射系数曲线上产生谐振峰，该谐振峰随酒精浓度变化移动。太赫兹时域谱分辨率小于1GHz，本测量装置中待测溶液从纯水到纯酒精变化时反射系数曲线的谐振峰移动大于800GHz，使得该测量装置测量酒精浓度的精度达到千分之二以上。
附图说明
图1本发明利用石墨烯太赫兹表面等离子效应的酒精浓度测量装置结构示意图；
图2测量纯水、20％、40％、60％、80％、100％的标准酒精溶液时的太赫兹波反射系数曲线；
图3测量纯水、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％的标准酒精溶液时的反射系数曲线中谐振频率及其拟合曲线。
图中：高阻硅三角棱镜1、第一二氧化硅薄膜2、单层石墨烯3、第二二氧化硅薄膜4、待测酒精溶液5、高阻硅衬底6、飞秒激光器7、斩波器8、分束器9、光电导天线10、第一抛面镜11、第一聚四氟乙烯透镜12、第二聚四氟乙烯透镜13、第二抛面镜14、薄膜分束镜15、ZnTe晶体16、四分之一波片17、沃拉斯顿棱镜18、光电平衡探测器19、锁相放大器20、计算机21、第一反射镜22、延迟线23、第二反射镜24；
具体实施方式
如图1所示，利用石墨烯太赫兹表面等离子效应的酒精浓度测量装置，包括高阻硅三角棱镜1、第一二氧化硅薄膜2、单层石墨烯3、第二二氧化硅薄膜4、待测酒精溶液5、高阻硅衬底6、飞秒激光器7、斩波器8、分束器9、光电导天线10、第一抛面镜11、第一聚四氟乙烯透镜12、第二聚四氟乙烯透镜13、第二抛面镜14、薄膜分束镜15、ZnTe晶体16、四分之一波片17、沃拉斯顿棱镜18、光电平衡探测器19、锁相放大器20、计算机21、第一反射镜22、延迟线23、第二反射镜24；
飞秒激光器7产生的飞秒激光脉冲光路上顺次设有斩波器8、分束器9，分束器9将飞秒激光脉冲光分为较强的泵浦光和较弱的探测光；泵浦光光路上设有光电导天线10，光导天线10激发的太赫兹波顺次经过第一抛面镜11、第一聚四氟乙烯透镜12，经第一聚四氟乙烯透镜12聚焦后的太赫兹波入射到高阻硅三角棱镜1一侧表面上，在透射到第一二氧化硅薄膜2、单层石墨烯3、第二二氧化硅薄膜4、待测酒精溶液5、再经高阻硅衬底6的上表面反射返回到高阻硅三角棱镜1，太赫兹波出射高阻硅三角棱镜1后顺次经过第二聚四氟乙烯透镜13、第二抛面镜14、薄膜分束镜15；探测光光路上顺次设有第一反射镜22、延迟线23、第二反射镜24、薄膜分束镜15；
太赫兹波透过薄膜分束镜15到达ZnTe晶体16，与被薄膜分束镜15反射的探测光汇合，再透过ZnTe晶体16、四分之一波片17、沃拉斯顿棱镜18后被光电平衡探测器19探测；光电平衡探测器19、锁相放大器20、计算机21顺次相连。
测量步骤如下：
1)在高阻硅衬底6和第二二氧化硅薄膜4之间放置未知浓度的待测酒精溶液5；
2)飞秒激光器7产生飞秒激光脉冲光源，经过斩波器8，被分束器9分为较强的泵浦光和较弱的探测光，泵浦光射向光电导天线10激发THz脉冲，THz脉冲经过经第一抛面镜11准直，再经第一聚四氟乙烯透镜12聚焦入射到高阻硅三角棱镜1一侧表面上，在透射到第一二氧化硅薄膜2、单层石墨烯3、第二二氧化硅薄膜4、待测酒精溶液5、再经高阻硅衬底6的上表面反射返回到高阻硅三角棱镜1，太赫兹波出射棱镜后被第二聚四氟乙烯透镜13准直后，被第二抛面镜14聚焦，并透过薄膜分束镜15到达ZnTe晶体16，与经过第一反射镜22、延迟线23和第二反射镜24并被薄膜分束镜15反射的探测光汇合，探测光透过ZnTe晶体16、四分之一波片17、沃拉斯顿棱镜18后被光电平衡探测器19探测，所测电信号被锁相放大器20放大后送入计算机21得到太赫兹脉冲的时域波形，经过傅里叶变换后得到反射系数的频率变化曲线；
3)光导天线10激发的太赫兹波脉冲在0.1～2.5THz范围，频率间隔小于1GHz，被光电平衡探测器19探测得太赫兹脉冲的时域波形经过傅里叶变换后得到棱镜反射系数的频率变化曲线；
4)根据未知浓度的待测酒精溶液测得的太赫兹反射系数曲线,计算谐振峰位置并代入由标准溶度-谐振峰测量校正曲线得到待测酒精溶液的精确浓度。
标准溶度-谐振峰测量校正曲线通过如下步骤得到：
1)在高阻硅衬底6和第二二氧化硅薄膜4之间分别放置纯水、5％、10％、15％、20％、25％、30％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％、100％的标准酒精溶液；
2)光导天线10激发的太赫兹波脉冲在0.1～2.5THz范围，频率间隔小于1GHz，被光电平衡探测器19探测到的太赫兹脉冲的时域波形经过傅里叶变换后得到棱镜反射系数的频率变化曲线，如图2所示；
3)在测量所有标准溶液的太赫兹反射系数曲线后，计算谐振峰位置并与溶液浓度数据一起建立标准溶度-谐振峰测量校正曲线(如图3所示)，从纯水到纯酒精变化过程中，反射系数曲线上的谐振峰移动能达800GHz以上，使得测量酒精浓度精度达到0.2％以上。
Claims (2)
1.一种使用利用石墨烯太赫兹表面等离子效应的酒精浓度测量装置的测量酒精浓度的方法，所述利用石墨烯太赫兹表面等离子效应的酒精浓度测量装置包括高阻硅三角棱镜(1)、第一二氧化硅薄膜(2)、单层石墨烯(3)、第二二氧化硅薄膜(4)、待测酒精溶液(5)、高阻硅衬底(6)、飞秒激光器(7)、斩波器(8)、分束器(9)、光电导天线(10)、第一抛面镜(11)、第一聚四氟乙烯透镜(12)、第二聚四氟乙烯透镜(13)、第二抛面镜(14)、薄膜分束镜(15)、ZnTe晶体(16)、四分之一波片(17)、沃拉斯顿棱镜(18)、光电平衡探测器(19)、锁相放大器(20)、计算机(21)、第一反射镜(22)、延迟线(23)、第二反射镜(24)；
飞秒激光器(7)产生的飞秒激光脉冲光路上顺次设有斩波器(8)、分束器(9)，分束器(9)将飞秒激光脉冲光分为较强的泵浦光和较弱的探测光；泵浦光光路上设有光电导天线(10)，光导天线(10)激发的太赫兹波顺次经过第一抛面镜(11)、第一聚四氟乙烯透镜(12)，经第一聚四氟乙烯透镜(12)聚焦后的太赫兹波入射到高阻硅三角棱镜(1)一侧表面上，在透射到第一二氧化硅薄膜(2)、单层石墨烯(3)、第二二氧化硅薄膜(4)、待测酒精溶液(5)、再经高阻硅衬底(6)的上表面反射返回到高阻硅三角棱镜(1)，太赫兹波出射高阻硅三角棱镜(1)后顺次经过第二聚四氟乙烯透镜(13)、第二抛面镜(14)、薄膜分束镜(15)；探测光光路上顺次设有第一反射镜(22)、延迟线(23)、第二反射镜(24)、薄膜分束镜(15)；
太赫兹波透过薄膜分束镜(15)到达ZnTe晶体(16)，与被薄膜分束镜(15)反射的探测光汇合，再透过ZnTe晶体(16)、四分之一波片(17)、沃拉斯顿棱镜(18)后被光电平衡探测器(19)探测；光电平衡探测器(19)、锁相放大器(20)、计算机(21)顺次相连；
其特征在于，所述测量酒精浓度的方法步骤如下：
1)在高阻硅衬底(6)和第二二氧化硅薄膜(4)之间放置未知浓度的待测酒精溶液(5)；
2)飞秒激光器(7)产生飞秒激光脉冲光源，经过斩波器(8)，被分束器(9)分为较强的泵浦光和较弱的探测光，泵浦光射向光电导天线(10)激发THz脉冲，THz脉冲经过经第一抛面镜(11)准直，再经第一聚四氟乙烯透镜(12)聚焦入射到高阻硅三角棱镜(1)一侧表面上，在透射到第一二氧化硅薄膜(2)、单层石墨烯(3)、第二二氧化硅薄膜(4)、待测酒精溶液(5)、再经高阻硅衬底(6)的上表面反射返回到高阻硅三角棱镜(1)，太赫兹波出射棱镜后被第二聚四氟乙烯透镜(13)准直后，被第二抛面镜(14)聚焦，并透过薄膜分束镜(15)到达ZnTe晶体(16)，与经过第一反射镜(22)、延迟线(23)和第二反射镜(24)并被薄膜分束镜(15)反射的探测光汇合，探测光透过ZnTe晶体(16)、四分之一波片(17)、沃拉斯顿棱镜(18)后被光电平衡探测器(19)探测，所测电信号被锁相放大器(20)放大后送入计算机(21)得到太赫兹脉冲的时域波形，经过傅里叶变换后得到反射系数的频率变化曲线；
3)光导天线(10)激发的太赫兹波脉冲在0.1～2.5THz范围，频率间隔小于1GHz，被光电平衡探测器(19)探测得太赫兹脉冲的时域波形经过傅里叶变换后得到棱镜反射系数的频率变化曲线；
4)根据未知浓度的待测酒精溶液测得的太赫兹反射系数曲线,计算谐振峰位置并代入由标准溶度-谐振峰测量校正曲线得到待测酒精溶液的精确浓度。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的标准溶度-谐振峰测量校正曲线通过如下步骤得到：
4.1)在高阻硅衬底(6)和第二二氧化硅薄膜(4)之间分别放置纯水、5％、10％、15％、20％、25％、30％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％、100％的标准酒精溶液；
4.2)光导天线(10)激发的太赫兹波脉冲在0.1～2.5THz范围，频率间隔小于1GHz，被光电平衡探测器(19)探测到的太赫兹脉冲的时域波形经过傅里叶变换后得到棱镜反射系数的频率变化曲线；
4.3)在测量所有标准溶液的太赫兹反射系数曲线后，计算谐振峰位置并与溶液浓度数据一起建立标准溶度-谐振峰测量校正曲线,从纯水到纯酒精变化过程中，反射系数曲线上的谐振峰移动能达800GHz以上，使得测量酒精浓度精度达到0.2％以上。
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