CN107064078A - 基于bsw的光学传感器及光学检测方法 - Google Patents

Abstract

基于BSW的光学传感器，包括光学基底，其特征在于：光学基底表面外覆至少一层非金属膜，最外层非金属膜外覆至少一层石墨烯。本发明通过多层膜结构激发BSW，并在石墨烯处形成足够强的电场，使石墨烯能够强烈的吸收BSW频率的光波。光学传感检测的方法，根据非金属膜的折射率、各层非金属膜的厚度及层数的配合，使在最靠近石墨烯的一层非金属膜处获得BSW激发效果。也可以通过改变石墨烯的费米能级或改变光波入射角度，使在最靠近石墨烯的一层非金属膜处获得BSW激发效果。

Description

基于BSW的光学传感器及光学检测方法

技术领域

本发明属于光学传感技术领域，涉及一种光学传感器，具体的说为一种基于BSW的光学传感器及采用该光学传感器进行光学检测的方法。

背景技术

光学传感器是一种实时、原位的检测不同物质间相互作用和结合动力学的技术，当固定在传感芯片表面上的受体与被检测的物质结合以后，利用不同物理原理设计的光学传感器可以实现对各种不同物质性能的检测。通过对光学传感器的多年研究，目前比较成熟的技术主要是基于标记物的检测技术，一般对待测物质较难实现快速实时检测，而影响了检测效率。与带标记的方法相比，免标记方法还可以尽量保持被模拟研究的待测物的原有环境。因此，免标记的分析方法是一个新的研究方向和发展趋势。这种免标记的光学传感器可以应用在生物学、化学、医学和国防等方面，例如，在选择性识别目标生物分子、生物分子间的相互作用分析、荧光分子分析物检测；除此之外，这种传感器还能够应用于环境检测等，例如，对大气和水溶液中某种化学物质浓度的分析检测，可以看出大气污染或者水污染的程度。

近几十年来，基于光学表面波的免标记光学检测技术获得了迅猛发展，目前已被广泛应用并商业化的免标记光学传感器中，一种综合效果很好的是表面等离子共振(surface plasmon resonance，SPR)传感器。SPR是基于表面等离子波(surfaceplasmonwave,SPW)的一种物理光学效应，通常在金属与外界介质的界面之间激发，当入射光波的传播常数与SPW的传播常数相匹配时，会引起金属膜内自由电子产生共振，也即SPR。

例如，中国专利CN106053390A公开了一种含吸收介质石墨烯的表面缺陷腔光子晶体折射率传感器，这种传感器通过周期性光子晶体构建的表面缺陷腔结构，周期性光子晶体采用高折射率材料和低折射率材料周期排列，在表面缺陷腔内放置石墨烯，并且，其结构组成必须为低折射率材料-石墨烯-低折射率材料，其中石墨烯作为接收介质。最终结构，石墨烯两侧相邻的均是低折射率材料。否则，石墨烯不能完成接收功能。

中国专利CN205120588U公开了一种表面等离激元共振生物传感器，其包括棱镜，棱镜表面设置有纳米颗粒阵列外覆金属膜和二氧化硅膜，二氧化硅膜外设置一层石墨烯。其公开了一种采用多层膜结构的生物传感器，通过纳米颗粒阵列金属膜和二氧化硅膜共同对入射光作用，以激发SPW效应。其必须依赖于金属特性和二氧化硅的特性。

而且，所有的基于SPW的光学传感器还存在一应用缺陷，即其仅能实现对TM波的检测，而不能实现对TE波的检测。

除了SPW外，近年来基于布洛赫表面波(Bloch surface wave，BSW)的生物光学传感器的研究也逐渐受到关注，BSW通常存在于介质与介质之间的交界面上，比如在光子晶体与外界介质的交界面处。目前研究的大多数是基于光子晶体的BSW，在有限周期的光子晶体结构表面可以激发BSW，对BSW的研究大多数也集中在可见光范围内。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于BSW的光传感器，同时还提供了一种采用该传感器进行待测物性能检测的方法。

本发明的内容为：在光学基底表面外覆至少一层非金属膜，最外层非金属膜外覆至少一层石墨烯。当光波由光学基底入射，多层非金属膜共同作用以激发BSW，到最接近石墨烯的一层非金属膜处，形成足够强的电场分布，使石墨烯能够强烈的吸收BSW频率的光波。光学基底可以选用棱镜或光栅。

优选为：最外层石墨烯外覆至少一层非金属膜。

优选为：光学基底表面如果覆有多层非金属膜，相邻非金属膜的折射率是不同的。非金属膜可以采用高折射率材料或低折射率材料。

优选为：棱镜的折射率大于1且大于待测物质的折射率。

光学传感检测的方法，具体为，根据非金属膜的折射率、各层非金属膜的厚度及层数的配合，使在最靠近石墨烯的一层非金属膜处获得BSW激发效果。针对某待测物质，这种最佳的激发效果不是通过固定的结构实现的，可以通过不同的非金属膜的折射率、各层非金属膜的厚度及层数的配合关系，均实现BSW的激发效果，也就是说，需要结合非金属膜的特性设计。

优选为：在进行红外波段至太赫兹波段光检测时，可以通过改变石墨烯的费米能级，使在最靠近石墨烯的一层非金属膜处获得BSW激发效果。

优选为：改变光的入射角度，使在最靠近石墨烯的一层非金属膜处获得BSW激发效果。

本发明的有益效果为：

提供了一种基于BSW的光学传感器。

采用不同折射率的非金属材料构成的多层膜结构表面可以激发BSW，但是如果这里使用的非金属材料本身的损耗很小或者损耗的影响可以忽略，则在该多层膜表面激发的BSW无法用于光学检测，而如果在激发了BSW的多层膜结构表面覆盖石墨烯，将可以实现石墨烯对基于BSW的特定频率电磁波的强烈吸收，即此时该频率电磁波的反射率很小，甚至可以实现对该频率电磁波的完全吸收，即对应反射率等于零。在红外波段，石墨烯的电导率与费米能级有关，通过改变石墨烯的费米能级，可以调节石墨烯的电导率来改变石墨烯的折射率，使激发的BSW的波长和角度有更大的变化范围，使该种结构可以用来设计更加灵敏的电磁波检测器件，从而实现固定角度或者波长扫描的光学传感器，对待测物质有灵敏的检测性能。

相比于基于SPW的光学传感器，基于BSW的光学传感器可以实现采用TM偏振和TE偏振条件下电磁波对待测物质性质的检测，适用范围更广。

附图说明

图1为光学传感器结构示意图。

图2为在可见光范围内，待测物为空气，TE偏振电磁波条件下具有不同层数膜结构光学传感器激发BSW效果示意图。

图3为在可见光范围内，待测物为空气，TE偏振电磁波条件下，棱镜中入射角51.87°时，具有5层膜光学传感器激发BSW对应的电场强度。

图4为在可见光范围内，待测物为空气，TE偏振电磁波条件下，棱镜中入射角51.87°时，表面非金属膜外含有石墨烯及不含有石墨烯光学传感器的反射谱。

图5为在可见光范围内，待测物为空气，TM偏振电磁波条件下，棱镜中入射角55.12°时，非金属膜外含有石墨烯及不含有石墨烯光学传感器的反射谱。

图6(a)为在可见光范围内，待测物为液体时，固定波长，改变液体折射率的情况下，TE偏振电磁波，随入射角度的变化激发BSW的情况。

图6(b)为在可见光范围内，待测物为液体时，固定波长，改变液体折射率的情况下，TM偏振电磁波，随入射角度的变化激发BSW的情况。

图7(a)为在可见光范围内，待测物为液体时，固定入射角度51.87°，改变液体折射率的情况下，TE偏振电磁波，随波长的变化激发BSW的情况。

图7(b)为在可见光范围内，待测物为液体时，固定入射角度55.12°，改变液体折射率的情况下，TM偏振电磁波，随波长的变化激发BSW的情况。

图8(a)为红外波段内，固定波长，改变石墨烯费米能级，TE偏振电磁波，随入射角度的变化激发BSW的情况。

图8(b)为红外波段内，固定波长，改变石墨烯费米能级，TM偏振电磁波，随入射角度的变化激发BSW的情况。

图9(a)为红外波段内，固定角度64°，改变石墨烯费米能级，TE偏振电磁波，随波长的变化激发BSW的情况。

图9(b)为红外波段内，固定角度60°，改变石墨烯费米能级，TM偏振电磁波，随波长的变化激发BSW的情况。

图10(a)为红外波段内，待测物为液体时，固定波长，改变液体折射率的情况下，TE偏振电磁波，随入射角度的变化激发BSW的情况。

图10(b)为红外波段内，待测物为液体时，固定波长，改变液体折射率的情况下，TM偏振电磁波，随入射角度的变化激发BSW的情况。

图11(a)为红外波段内，待测物为液体时，固定入射角度64°，改变液体折射率的情况下，TE偏振电磁波，随波长的变化激发BSW的情况。

图11(b)为红外波段内，待测物为液体时，固定入射角度60°，改变液体折射率的情况下，TM偏振电磁波，随波长的变化激发BSW的情况。

图12为光学传感器结构示意图。

图13为石墨烯外采用一层非金属膜的光传感器结构，固定波长，在改变待测物折射率条件下，随入射角度的变化激发BSW的情况。

图14为石墨烯外采用两层非金属膜的光传感器结构，固定波长，在改变待测物折射率条件下，随入射角度的变化激发BSW的情况。

其中：1-棱镜，2-非金属膜，3-石墨烯，4-非金属膜

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的具体实施方式进行清楚完整地描述。显然，具体实施方式所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明提供了一种基于BSW的光学传感器，该光学传感器通过多层非金属膜配合激发BSW，并通过石墨烯吸收BSW频率的电磁波，采用这种光学传感器可以实现对待测物质性质的检测。

实施例1：

如图1所示，基于BSW的光学传感器，适用于待测物质性能的检测，包括棱镜1，棱镜1表面外覆至少一层非金属膜2，最外层非金属膜外覆至少一层光吸收材料，本实施例中，光吸收材料采用石墨烯3。棱镜1也可采用光栅结构来替换。

选择棱镜1的标准为，其折射率要大于1，并且，其折射率还要大于待测物质。此处所述的待测物质为气体、液体或者固体等，即选择棱镜1的折射率要参考待测气体、待测液体或者待测固体等的折射率。

非金属膜2至少包括一层，可以通过电子束蒸发、磁控溅射等工艺镀在棱镜1的表面。若非金属膜2有多层，相邻两层非金属膜2的折射率不同，厚度可以不同也可以相同，非金属可以采用高折射率材料或低折射率材料。也就是说，本申请中并不限制非金属膜2的厚度和其折射率，也不限制非金属选用几层。非金属膜2层的作用是激发BSW，对入射光电场起到增强作用，以使到达石墨烯3的电场强度达到足够强。而这种效应是可以通过改变多种非金属膜2的结构实现的。

BSW的激发与材料的损耗有很大的关系，当介质的损耗很小或者无损耗时，激发反射谱上的共振dip深度会很小甚至消失，因此针对这种情况，我们希望观察到明显的共振dip，并在这方面进行了研究。实际上所有的材料本身都是有损耗的，只是许多非金属材料的损耗系数可以非常小，一般高折射率的材料的损耗会相对大一些，因此本专利中，取高折射率材料的折射率的虚部为0.0001i，该数值的选择主要是为了比较不含石墨烯和含石墨烯的传感器结构激发BSW的效果。

石墨烯3层的主要作用是强烈吸收BSW频率的光波，单层石墨烯为呈蜂巢晶格排列的单层二维晶体。单层石墨烯薄膜厚度只有大约0.34nm，在光波垂直照射的条件下，在可见光和近红外波段，其对光的吸收几乎不随波长变化，吸收率约2.3％。在可见光波段，将石墨烯与非金属或者非金属微结构结合，可以激发BSW，实现石墨烯与光的相互作用的增强。在红外波至太赫兹段，在一定掺杂条件下，石墨烯具有类金属的物理特性，即在红外波段的某个波长开始，至更长波长区域，石墨烯的介电常数的实部是负数，而通过给石墨烯施加外场，石墨烯的介电常数可以随外场的变化而发生改变，即石墨烯的折射率可被改变，同样可以激发BSW实现石墨烯对光波的增强吸收。由于石墨烯具有较大的损耗系数，而在多层膜表面激发的BSW的局域电场强度可以非常大，因此将有限层石墨烯薄膜置于多层膜表面，将可以极大的增强石墨烯与光的相互作用，即实现石墨烯对BSW波长光波的强烈吸收。

在可见光范围内，石墨烯得折射率表达式通常取：

n_G＝3.0+iC₁λ/3

其中C₁＝5.446μm^-1，λ为波长。

在红外至太赫兹波段范围内，石墨烯的电导率表达式为：

σ_S＝σ_D+σ_I；

其中：

这里H(x)＝sinh(x/k_BT)/[cosh(E_F/k_BT)+cosh(x/k_BT)]。e为电子电荷量，k_B为玻尔兹曼常数，T＝300K，E_F为费米能级，τ为弛豫时间。

在红外至太赫兹波段，在一定参杂条件下，石墨烯具有类金属的物理特性，即在红外波段的某个波长开始，至更长波长区域，石墨烯的介电常数的实部是负数，例如，在费米能级E_F＝0.7eV时，石墨烯的介电常数变化如下表：

λ(μm)	1.5	2.8	4.1	5.55	6.25	10.7	21.4
								εr	-9.543	-53.496	-123.173	-230.893	-294.067	-877.547	-3530.088
εi	0.0199	0.1287	0.4053	1.0012	1.4255	7.1814	57.4395

石墨烯的以上性能说明，外加电场不同，石墨烯的折射率将发生变化，即其对光的吸收性能将发生变化。

在进行光学传感器的设计时，可以通过理论分析和数值计算，针对采用不同层数的非金属膜，获取最佳的BSW激发效果，以实现最佳的光学传感检测。

根据非金属膜2的层数，改变各层非金属膜的厚度及折射率，使在最靠近石墨烯的一层非金属膜处获得获得BSW激发效果。也就是说，在采用1层非金属膜2时，和采用多层非金属膜2时，每层膜所选用材料的厚度可以是不同的，另外，相邻材料的折射率是不同的，每种膜结构的组合都可以实现较强的BSW激发效果。配合改变待测光的入射角度，使在最靠近石墨烯的一层非金属膜处获得BSW激发效果。

特别的，在进行红外至太赫兹波段光检测时，可以改变石墨烯的费米能级，使在最靠近石墨烯的一层非金属膜处获得BSW激发效果。

以下将结合具体的膜及石墨烯的配合结构来描述光传感器的结构。

光传感器的结构为：prism/A₁A₂A₃…A_n/G/待测物质，其中A₁A₂A₃…A_n为不同折射率非金属材料组成的多层膜。n的最小取值为1，G为石墨烯，石墨烯的层数最小为1。

1、可见光波段BSW的激发

为研究不同层膜对BSW效应的影响，研究在棱镜上放置不同层数的多层膜时，棱镜激发布洛赫表面波(BSW)的性能。本实施例采用n_p＝1.75的棱镜。

以TE偏振形式的电磁波入射为例。

第一种光传感器结构：采用一层非金属膜2A₁，其折射率为n₁＝2.123+0.0001i，厚度为584nm。

第二种光传感器结构：采用两层非金属膜2A₁、A₂，其中A₁取高折射率材料，折射率为n₁＝2.123+0.0001i，厚度为228nm，A₂取低折射率材料，n₂＝1.431，厚度为386nm。

第三种光传感器结构：采用三层非金属膜2为A₁、A₂、A₃，A₁、A₃取高折射率材料，A₁的折射率为n₁＝2.123+0.0001i，A₃的折射率n₃＝2.125+0.0001i，A₁、A₃的厚度分别为120nm、50nm，A₂取低折射率材料，厚度为187nm。

第四种光传感器结构：采用四层非金属膜2为A₁、A₂、A₃、A₄，A₁、A₃取高折射率材料，A₁的折射率为n₁＝2.123+0.0001i，A₃的折射率n₃＝2.125+0.0001i，厚度为120nm、70nm，A₂、A₄取低折射率材料，A₂的折射率n₂＝1.431，A₄的折射率n₄＝1.433，厚度分别为180nm、30nm。

第五种光传感器结构：采用五层非金属膜2为A₁、A₂、A₃、A₄、A₅，其中A₁、A₃、A₅取高折射率材料，A₁的折射率为n₁＝2.123+0.0001i，A₃的折射率n₃＝2.125+0.0001i，A₅的折射率n₅＝2.127+0.0001i，厚度分别为117.8nm、110.5nm、40nm，A₂、A₄取低折射率材料，A₂的折射率n₂＝1.431，A₄的折射率n₄＝1.433，厚度分别为分别为174.7nm、164.9nm。

空气作为待测物质，采用上述五种结构的光传感器进行的理论结果，如图2所示，采用不同层数的非金属膜2，非金属膜可以采用高折射率或低折射率，膜层厚度可以调整组合，与石墨烯3层相邻的可以为高折射率材料或低折射率材料，均可以激发BSW。

是否可以很好的激发BSW，主要看多层膜配合是否可以在多层膜的表面形成足够强的电场。具体以5层非金属膜2搭配一层石墨烯3的结构为例，5层膜的厚度及材料折射率的选择如上文所述。石墨烯3处激发电场的强度如图3所示。可见，当BSW波长的电磁波在石墨烯3层内有很大的电场强度，如果石墨烯3外的待测物质的折射率发生改变，将会影响BSW波长的电磁波在石墨烯3内的电场分布，因此会使激发BSW的角度和波长发生偏移，因此，利用这样的特性，本专利中的结构可以用来设计光学传感器件。

为研究石墨烯3层对光学传感器性能的影响，进一步以含有石墨烯3层和不含有石墨烯3层的结构的结果来进行比较。

取结构prism/MF/air和prism/MF/G/air，即光学传感器的结构分别为棱镜/多层膜/空气和棱镜/多层膜/石墨烯/空气，MF表示多层膜，石墨烯均为单层，分析其中的BSW，采用TE偏振波，结果如图4所示。图4中给出TE偏振条件下，多层膜表面不存在单层石墨烯和包含单层石墨烯以及不考虑材料的损耗或者损耗很小时的反射谱图，其中棱镜中的入射角为θ＝51.87°。对结构prism/MF/air，图4中的实线和虚线分别表示高折射率材料不考虑和考虑弱吸收条件下的反射谱；对结构prism/MF/G/air，图4中的点线和虚点线分别表示高折射率材料不考虑和考虑弱吸收条件下的反射谱。可以看出，光波含石墨烯的结构的光传感器对BSW频率的波实现了近完全吸收。由图4中可以看出，当多层膜表面没有石墨烯时，不考虑损耗时，在反射谱中将看不到BSW，而所有的材料本身都是有损耗的，只是许多材料的损耗系数可以非常小，因此为了确定BSW的存在，给定高折射率材料A_n(其中n＝1，3，5)一个非常小的损耗系数，即其折射率A₁取n₁＝2.123+0.0001i，A₃取n₃＝2.125+0.0001i，A₅取n₅＝2.127+0.0001i，在反射谱中可以看到也可以激发BSW。这是由于BSW在多层膜的最外层与外面的均匀介质的交界面上存在很强的局域电场，使得损耗材料对BSW频率的光波的吸收被大大增强。当多层膜表面放置了石墨烯时，由于石墨烯具有比A_n材料大很多的损耗系数，因此可以实现对激发的BSW频率光波的完全吸收，因此含石墨烯的结构的品质因子比没有石墨烯的结构要大很多，因为检测灵敏度跟品质因子有正比关系，因此含石墨烯的结构的检测灵敏度要高很多。另外，也可以看出，多层膜结构中是否考虑材料本身的损耗，对含石墨烯结构的灵敏度影响很小。

以上结果表明，石墨烯3层的主要作用是强烈吸收特定频率的光波，非金属膜2的作用是激发BSW。缺少石墨烯3层，仍可以激发BSW，但是结构的灵敏度很小，二者配合以实现高灵敏的光传感检测。

传统的基于SPW的光传感器仅可以在TM偏振电磁波条件下实现对待测物质性质的检测。而本实施例提供的光传感器的结构可以在TE偏振和TM偏振电磁波的两种条件下，对待测物质的性质进行检测。

采用本发明的光学传感器，以TM偏振电磁波入射的结果为例。图5中给出对TM偏振的电磁波，多层非金属膜2表面不存在单层石墨烯3和包含单层石墨烯3以及不考虑材料的损耗和损耗很小时的反射谱图，其中棱镜1中的入射角为θ＝55.12°。同理，我们可以看出在多层膜表面放置石墨烯时，能够激发出更明显的BSW。对结构prism/MF/air，图5中的实线和虚线分别表示高折射率材料不考虑和考虑弱吸收条件下的反射谱；对结构prism/MF/G/air，图5中的点线和虚点线分别表示高折射率材料不考虑和考虑弱吸收条件下的反射谱。

将被测物质由空气换成液体，利用改变液体的浓度可改变液体折射率的特性进行检测。对此，我们可以根据BSW的波长或者角度的变化来检测液体的浓度，在这里，我们考虑某种液体的折射率从n＝1.331变化到n＝1.336，间隔为0.001。

图6(a)和(b)分别给出了对TE和TM偏振的电磁波，在固定波长λ＝550nm时，将结构中的空气换成液体后，通过改变液体的折射率，观察激发BSW角度的变化范围。图7(a)和(b)中分别对应的是固定入射角度分别为θ＝51.87°和θ＝55.12°时，BSW对应波长的变化图。从图中可以看到，随着液体折射率的增加，即对应液体浓度的增加，激发出的BSW向大角度和长波长方向移动，实现了在可见光波段传感器的高敏感测量。

2、红外至太赫兹波段BSW的激发

不改变结构，只改变结构对应的厚度参数，相应的，石墨烯的参数应该采用在红外至太赫兹波段的模型。先固定波长λ＝5500nm，通过改变费米能级观察角度的变化。在TE偏振条件下，和在可见光波段的材料相同，多层非金属膜2的层数也为5层，各层膜中高折射率材料的厚度分别为1400nm、1397nm、720nm；低折射率材料的厚度分别为2145nm、2137nm。在TM偏振条件下，和在可见光波段的材料相同，多层非金属膜2的层数也为7层，各层膜中高折射率材料的厚度分别为1549nm、1538nm、1529nm、1138nm，折射率材料的厚度分别为2355nm、2343nm、2332nm。其次，我们固定角度，通过改变费米能级观察波长范围的变化。在TE偏振条件下θ＝64°，TM偏振条件下θ＝60°，在这里使用的材料及厚度等参数与固定波长时设计的结构中所采用的参数相同。

图8(a)和(b)分别给出了TE和TM偏振的电磁波，在固定波长λ＝5500nm时，通过改变石墨烯的费米能级(E_F变化范围为0.1～0.7eV)，激发BSW的入射角度的变化。可以看到随着费米能级的增大，激发BSW的角度的偏移也随之减小。可以看到在TM偏振条件下，激发BSW的角度的变化更敏感。

图9(a)和(b)分别给出了TE和TM偏振的电磁波，在固定角度分别为θ＝64°和θ＝60°时，通过改变石墨烯的费米能级(E_F变化范围为0.1～0.7eV)，激发布洛赫表面波波长的变化。可以看到，随着费米能级的增大，激发BSW的波长的偏移也随之减小。

同样地，在红外至太赫兹波段，我们也将结构中的空气替换成某浓度的液体，在这里，我们固定费米能级E_F＝0.7eV，各层膜的参数不变，液体的折射率从n＝1.331变化到n＝1.336，间隔为0.001，观察固定某一波长(5500nm)角度的变化和某一角度(TE偏振的电磁波角度取为64°，TM偏振的电磁波角度取为60°)下波长的变化。

图10(a)和(b)分别给出了红外波段在TE和TM偏振的电磁波条件下，在固定波长λ＝5500nm时，将结构中的空气换成液体后，通过改变液体的折射率，观察激发BSW的角度的变化。图11(a)和(b)分别给出TE和TM偏振的电磁波条件下，固定角度分别为θ＝64°和θ＝60°时，波长的变化。从图中可以看到，随着液体浓度的增加，也即是液体折射率的增加，激发的BSW向大角度和长波长方向移动。通过BSW的波长或者角度的灵敏变化实现对待测物质性质的检测。

通过以上结果，说明利用本专利的结构，可以实现在传感器测试中对某一角度或者某一波长下对待测物质性质的灵敏检测。在本次结构设计中，激发BSW使用的棱镜为半圆柱棱镜，除此之外还有三棱柱型的棱镜，也可以通过将棱镜换成光栅来激发BSW，在这里我们仅以半圆柱型的棱镜作为例子来进行讲述，另外，增加石墨烯3的层数，比如增加至2层、3层、4层等，同样可以实现灵敏的检测。

实施例3

进一步提供一种在棱镜1与石墨烯3层之间涂覆多层非金属膜2，石墨烯3层外覆非金属膜4的光传感器结构。其结构如图11所示，非金属膜4同样可以为一层或多层，若为多层，相邻两层非金属膜4的折射率不同，厚度可以相同或不同，同样可以采用高折射率材料或低折射率材料，非金属多层膜的层数和厚度可以根据激发BSW的效果需求进行设计。非金属膜4将石墨烯层3置入结构内部，有保护和使结构更稳定的作用。

在结构“prism/A₁A₂A₃…A_n/G/B₁B₂B₃…B_m/待测物质”中，在可见光范围内，以TM偏振的电磁波为例，其中在石墨烯3层与棱镜1之间多层非金属膜2的层数为7，在石墨烯3层后多层非金属膜4的层数分别为1层和2层时，通过固定波长λ＝550nm，改变待测液体的折射率，观察激发出的BSW的角度的变化。

第一种实施结构，石墨烯3层后放置一层高折射率材料，即含有一层非金属膜4，所使用的参数为：材料A₁、A₂、A₃、A₄、A₅、A₆、A₇。其中A₁、A₃、A₅、A₇取高折射率材料，A₁的折射率n₁＝2.123+0.0001i，A₃的折射率n₃＝2.125+0.0001i，A₅的折射率n₅＝2.127+0.0001i，A₇的折射率n₇＝2.129+0.0001i；A₂、A₄、A₆取低折射率材料，A₂的折射率n₂＝1.431，A₄的折射率n₄＝1.433，A₆的折射率n₆＝1.435，A₁A₂A₃…A₇的厚度分别为141.3nm、209.6nm、137.8nm、201.8nm、126.9nm、189.3nm、97nm。B₁为高折射率材料，n_B1＝2.131+0.0001i，厚度为10nm。图12所示为固定波长，改变液体折射率，激发BSW的入射角度的变化情况。

另一种实施结构，在石墨烯3层后放置两层材料，在石墨烯3层与棱镜层之间的材料所使用的参数与图13中所用参数相同，石墨烯层3后放置多层膜材料为B₁、B₂，其中B₁为高折射率材料，n_B1＝2.131+0.0001i，厚度为10nm，B₂为低折射率材料，n_B2＝1.437，厚度为15nm。图14中固定波长，改变待测液体折射率，激发的BSW的入射角度的变化情况。

由图13和图14可见，在采用固定的膜结构时，当待测液体的折射率发生改变，可通过调整光波的入射角度，来获得最佳的BSW激发效果。

Claims (8)

1.基于BSW的光学传感器，其特征在于：光学基底表面外覆至少一层非金属膜，最外层非金属膜外覆至少一层石墨烯。

2.如权利要求1所述的基于BSW的光学传感器，其特征在于：最外层石墨烯外覆至少一层非金属膜。

3.如权利要求1所述的基于BSW的光学传感器，其特征在于：所述光学基底为棱镜或光栅结构。

4.如权利要求1或2所述的基于BSW的光学传感器，其特征在于：若非金属膜为多层，相邻两层非金属膜材料的折射率不相同。

5.如权利要求1所述的基于BSW的光学传感器，其特征在于：棱镜的折射率大于1且大于待测物质的折射率。

6.基于权利要求1所述的光学传感器进行光学传感检测的方法，其特征在于：根据非金属膜的折射率、各层非金属膜的厚度及层数的配合，使在最靠近石墨烯的一层非金属膜处获得BSW激发效果。

7.基于权利要求6所述的光学传感器进行光学传感检测的方法，其特征在于：在进行红外至太赫兹波段光检测时，改变石墨烯的费米能级，使在最靠近石墨烯的一层非金属膜处获得BSW激发效果。

8.基于权利要求6或7所述的光学传感器进行光学传感检测的方法，其特征在于：改变光的入射角度，使在最靠近石墨烯的一层非金属膜处获得BSW激发效果。