CN113281269B - 光自旋霍尔效应传感器及其设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光自旋霍尔效应传感器及设备，包括：透光元件、贴合透光元件依次设置的银层、金层、石墨烯层，以及贴合石墨烯层设置的锑烯层；其中锑烯层背离石墨烯层的一侧用于贴合放置待测物。本申请的光自旋霍尔效应传感器中用于和待测物之间形成介质界面的介质层是通过石墨烯层和锑烯层之间形成异质结构，能够使得光自旋霍尔效应传感器在对待测物进行测量时，测量光线产生的偏移距离在一定程度上放大，进而提升光自旋霍尔传感器测量精度，有利于光自旋霍尔传感器的广泛应用。

Description

光自旋霍尔效应传感器及其设备
技术领域
本发明涉及光学技术领域，特别是涉及一种光自旋霍尔效应传感器及其设备。
背景技术
光自旋霍尔效应传感器是基于光子的自旋—轨道之间相互影响而产生自旋霍尔效应的原理而形成的传感器。因为光子的自旋—轨道之间相互影响而产生霍尔效应，当光束在介质分界面上因为折射率存在阶跃变化（即折射率的梯度变化），可在该介质分介面上分裂成两束在平行于该介质分界面上存在一定偏移距离的光线。而该介质分界面对应的折射率的梯度变化大小也直接影响该偏移距离的大小。因此即可利用和待测目标的折射率存在区别的介质层与待测目标之间形成介质分界面，基于光线经过该介质分界面产生的光偏移距离，实现对具有不同折射率的待测目标的检测。
但是在实际应用中测量光线分裂形成的两束光线之间的偏移距离往往非常小，对于两种不同的待测目标而言，可能光线偏移距离的差异并不明显而无法区分，进而导致传感器的测量精度难以保证。
发明内容
本发明的目的是提供一种光自旋霍尔效应传感器及其设备，能够在一定程度上提升传感器测量的灵敏度，进而提升测量精度。
为解决上述技术问题，本发明提供一种光自旋霍尔效应传感器，包括：透光元件、贴合所述透光元件依次设置的银层、金层、石墨烯层，以及贴合所述石墨烯层设置的锑烯层；
其中所述锑烯层背离所述石墨烯层的一侧用于贴合放置待测物。
在本申请的一种可选地实施例中，所述锑烯层的厚度为0.4nm~0.6nm。
在本申请的一种可选地实施例中，所述石墨烯层的厚度为0.3nm~0.4nm。
在本申请的一种可选地实施例中，所述金层的厚度为10nm~25nm。
在本申请的一种可选地实施例中，所述银层的厚度为30nm~45 nm。
在本申请的一种可选地实施例中，所述透光元件为三棱镜或半圆柱棱镜。
本申请还公开了一种光自旋霍尔效应传感器设备，包括如上任一项所述的光自旋霍尔效应传感器、光源、偏振器、透镜和检测器；
所述光源用于通过所述偏振器向所述透光元件入射测试光线；
所述检测器用于通过所述透镜检测所述测试光线经过所述透光元件依次经过银层、金层、石墨烯层、锑烯层至所述待测物后反射并从所述透光元件输出后的光线。
本发明所提供的一种光自旋霍尔效应传感器，包括：透光元件、贴合透光元件依次设置的银层、金层、石墨烯层，以及贴合石墨烯层设置的锑烯层；其中锑烯层背离石墨烯层的一侧用于贴合放置待测物。
本申请的光自旋霍尔效应传感器中用于和待测物之间形成介质界面的介质层是通过石墨烯层和锑烯层之间形成异质结构，能够使得光自旋霍尔效应传感器在对待测物进行测量时，测量光线产生的偏移距离在一定程度上放大，进而提升光自旋霍尔传感器测量精度，有利于光自旋霍尔传感器的广泛应用。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的光自旋霍尔效应传感器的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的光自旋霍尔效应传感器设备的光路结构示意图；
图3为本申请实施例提供的不同金层厚度对应的光线偏移量的变化示意图；
图4为本申请实施例提供的不同银层厚度对应的光线偏移量的变化示意图。
具体实施方式
目前常规的光自旋霍尔效应传感器中，一般是通过将石墨烯等介质层待测目标之间形成介质界面，测量光线从石墨烯层背离待测目标的一侧入射并进入介质界面后反射。基于检测分裂成两束反射光线之间的偏移距离确定待测目标的折射率进而确定待测目标的种类。但是对于一个原子层石墨烯层而言，其光吸收较弱，只有2.3%，带隙能量为零，光调制的深度较低，显著降低了光自旋霍尔效应传感器的性能。
为此，本申请中提供了一种能够在一定程度上提升光自旋霍尔效应传感器的工作性能的技术方案。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，图1为本申请实施例提供的光自旋霍尔效应传感器的结构示意图，该光自旋霍尔效应传感器可以包括：
透光元件10；
贴合透光元件10依次设置的银层11、金层12、石墨烯层13，以及贴合石墨烯层13设置的锑烯层14；
其中，锑烯层14背离石墨烯层13的一侧用于贴合放置待测物01。
参考图1，对于本实施例中的透光元件10可以采用如图1所示的三棱镜，三棱镜的一个面依次贴合设置银层11、金层12、石墨烯层13、锑烯层14等等；三棱镜上贴合银层11表面的相邻的两个表面分别作为测试光线的入射面和出射面。
为了尽可能的减少测试光线从三棱镜入射和出射的光能损失，测试光线可以尽可能的垂直于三棱镜的表面入射和出射。
对于透光元件10除了可以是三棱镜，还可以是半圆柱体，将半圆柱体的长方形表面和银层11贴合设置，测试光线垂直于半圆柱体的曲面入射和出射，也能够实现本申请的技术方案。
当然，本申请中也并不排除该透光元件10为其他结构形式的部件，但可以理解的是，该透光元件10应当尽可能的选择采用面对称结构的透光部件。
需要说明的是，对于透光元件10和银层11、金层12以及石墨烯层13、锑烯层14均可以是和透光元件10贴合银层11的表面形状大小相同的介质层，可以采用正方形、长方形或其他图像，当然也可以不采用相同大小和形状的各个介质层，只要是相对于测量光线而言，各层介质层均属于面积足够大的二维界面即可。
对于该透光元件10可以考虑采用玻璃材质制备形成的部件，例如BK7玻璃制备形成的棱镜，还可以采用树脂材料形成该透光元件10，对此本申请中不做限制。
本实施例中设置有双金属层，包括一层银层11和一层金层12；金层12与生物分子结合能力弱，但抗氧化能力强的特性；而银层则具有在空气中易于氧化稳定性差，而与生物分子结合能力强的等特点，相对于只采用单层的金属金层或金属银层，同时采用两种不用的金属层，能够使得两种金属层之间的特性互补，进而提升光自旋霍尔效应传感器的灵敏度。
除了金属层的种类影响传感器的灵敏度，金属层的厚度也至关重要，能够直接影响传感器的灵敏度。
在本申请的一种可选的实施例中，银层11的厚度可以设定在30nm~45 nm之间，金层12的厚度可以设定为10nm~25nm。一般情况下银层11贴合透光元件10的表面设置，金层12贴合银层11设置，而石墨烯层13则贴合金层12设置。
对于形成异质结构的石墨烯层13和锑烯层而言，石墨烯层13的厚度可以是0.33nm~0.35 nm；而锑烯单层厚度可以为0.4nm~0.6 nm。
需要说明的是，通过石墨烯层13和锑烯层形成的异质结构，这两种异质结构都具有更大的折射率变化梯度，能够在一定程度上提升测量光线分裂成两束光线之间的偏移距离。
需要说明的是，二硫化钼和锑烯都具有较好的分子吸附能力，能够更好的和待测物15之间相互吸附，实现待测物15折射率的检测；并且二硫化钼层和锑烯层14相对于石墨烯层13而言具有更好的吸光能力，能够弥补石墨烯层13吸光能力不足的缺点。因此也可以考虑采用二硫化钼和石墨烯形成异质结构，也能够在一定程度上提升光自旋霍尔效应传感器的灵敏度。
但是，锑烯具有sp2结合的蜂窝晶格，由于更离域的5s/5p轨道，因此具有较强的自旋轨道耦合和更高的稳定性；此外，锑烯具有更强的光吸收能力和光调制深度，在提高光自旋霍尔效应方面更有优势。由此，本申请中采用锑烯层14和石墨烯层13共同形成异质结构能够在一定程度上提升光自旋霍尔效应传感器的性能。
参考图1，测量光线从棱镜形状的透光元件10的表面入射透光元件10内部，并传导至该透光元件10和银层11的交界面，并受和银层11相连接的金层12、石墨烯层13、锑烯层14、以及待测物15之间形成的折射率阶跃变化的介质层对测量光线的调制作用，使得从该交界面反射出的光线分裂成两束光线，图1中带箭头的实线示意了测量光线传导光路。
如图1所示，基于测量光线中具有自旋方向相反的两种光子，使得该测量光线分别分裂成两束偏移方向相反的光线，yr+和yr-分别为分裂后的两束光线相对于原光线在Y轴方向的偏移距离，二者大小相等方向相反，基于yr+和yr-的大小，即可确定待测物具体的折射率，实现对该待测物的特性、浓度、密度等等方面的物理特性的测量。
另外，本申请中的待测物15可以是折射率在1.0000左右的空气，还可以是折射率在1.330.左右的水，还可以是酒精，折射率：1.360；甘油，折射率：1.4730；橄榄油，折射率：1.4763等等，对此本申请中不做具体限制。
综上所述，本申请的光自旋霍尔效应传感器中采用石墨烯层和锑烯层或者是采用石墨烯层和二硫化钼层形成具有较大的折射率梯度的异质结构，使得测量光线在对待测物进行测量时，分裂的两条光线之间能够形成更大的偏移距离从而提升传感器的灵敏度，并且还在一定程度上通过锑烯层或二硫化钼层弥补石墨烯层吸光能力不足等等问题，在很大程度上提升了光自旋霍尔效应传感器。
参考图2，图2为本申请实施例提供的光自旋霍尔效应传感器设备的光路结构示意图，该光路结构中除了包括上述光自旋悬霍尔效应传感器的部件之外，还包括：
光源30、偏振器40、透镜50和检测器20；
光源30用于偏振器40向透光元件10入射测试光线；
检测器20用于通过透镜50检测测试光线经过透光元件10依次经过银层11、金层12、石墨烯层13、锑烯层14至待测物15后反射并从透光元件10输出后的光线。
光源30发射可见光被偏振器40接收，并将光线投射到透光元件10上，从透光元件10上输出的分裂光线经过透镜50后用检测器20检测偏移距离，最后将检测结果发送到计算机60上，计算机60根据检测出的偏移值确定待测物的折射率。
在本申请的一种可选地实施例中，该光自旋霍尔效应传感器设备可以包括：
透光元件10为BK7玻璃形成的玻璃棱镜；
厚度为0.34 nm的石墨烯层13；
厚度为0.5 nm厚的锑烯层14；
光源30输出的光线经过偏振器40形成横磁偏振光，工作波长为632.8 nm。如前所述，对于金层12和银层11的厚度会直接影响光自旋霍尔效应传感器的灵敏度。
为此，可以在设定好透光元件10、石墨烯层13、锑烯层14之后，改变金层12的厚度和银层11的厚度，并测得在相同的待测物（空气）下哪种厚度的金层12和银层11对应的偏移最大。
如图3和图4所示，图3为本申请实施例提供的不同金层12的厚度对应的光线偏移量的变化示意图；图4为本申请实施例提供的不同银层11的厚度对应的光线偏移量的变化示意图。
图3中分别示出了三种不同的金层厚度d在随着入射光线的入射到透光元件10和银层11之间界面的入射角的变化而变化的偏移值。
由图3可以看出，当金层12的厚度为18.35nm时，光自旋偏移值最大。因此为增强光自旋偏移使现象更明显，该光自旋霍尔效应传感器可以采用18.35 nm厚度的金层12。
和图3类似，图4中示出了金层12厚度为18.35nm时，三种不同厚度的金属银层11随着入射光线的入射角的变化而变化偏移值。
当金层厚度固定不变，图4中可以看出，改变银层11的厚度，当银层11的厚度为35nm时，光自旋偏移值最大。因此为增强光自旋偏移使现象更明显，该光自旋霍尔效应传感器可以采用35 nm的银层11的厚度。
基于图3和图4，可知，对于自旋偏移距离的大小，除了受金层12的厚度和银层11的厚度的影响，还受测试光线入射至透光元件10贴合银层11的界面的的入射角度的影响。在图3和图4中，该最优选的入射角在43°左右，当然，当石墨烯层13的厚度发生变化，该最优选的入射角相应地也会发生变化，在实际应用中可以通过反复调整该入射角找到偏移量最大时对应的入射角即为最优选的入射角。
如图4所示，在图4所示的实施例中，当金层12为18.35nm，银层11为35nm时，若入射的测试光线在透光元件10贴合银层11的界面的入射角度发生变化，反射光的自旋偏移距离大小也随之变化。当光自旋偏移值达到最大值时，对应的入射角为43.012°、光自旋霍尔效应传感器灵敏度较高。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、 “包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。另外，本申请实施例提供的上述技术方案中与现有技术中对应技术方案实现原理一致的部分并未详细说明，以免过多赘述。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种光自旋霍尔效应传感器，其特征在于，包括：透光元件，贴合所述透光元件从上到下依次设置银层、金层、石墨烯层，以及贴合所述石墨烯层设置的锑烯层；
其中，所述锑烯层背离所述石墨烯层的一侧用于贴合放置待测物；
所述金层的厚度为10nm~25nm。
2.如权利要求1所述的光自旋霍尔效应传感器，其特征在于，所述锑烯层的厚度为0.4nm~0.6nm。
3.如权利要求1所述的光自旋霍尔效应传感器，其特征在于，所述石墨烯层的厚度为0.3nm~0.4nm。
4.如权利要求1所述的光自旋霍尔效应传感器，其特征在于，所述银层的厚度为30nm~45 nm。
5.如权利要求1所述的光自旋霍尔效应传感器，其特征在于，所述透光元件为三棱镜或半圆柱棱镜。
6.一种光自旋霍尔效应传感器设备，其特征在于，包括如权利要求1至5任一项所述的光自旋霍尔效应传感器、光源、偏振器、透镜和检测器；
所述光源用于通过所述偏振器向所述光自旋霍尔效应传感器的透光元件入射测试光线；
所述检测器用于通过所述透镜检测所述测试光线经过所述透光元件依次经过银层、金层、石墨烯层、锑烯层至所述待测物后反射并从所述透光元件输出后的光线。
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