CN113917243A - 基于表面等离激元的高精度光学验电装置及系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及基于表面等离激元的高精度光学验电装置及系统，具体而言，涉及电荷量检测领域。本申请提供的基于表面等离激元的高精度光学验电装置，当需要待测电荷区域的电荷量进行检测时，待测电荷区域的电荷通过该验电部进入到该第一薄膜和第二薄膜上，第一薄膜和第二薄膜在同性电荷的斥力的作用下相互远离，并且由于该连接部的存在，该第一薄膜、第二薄膜和连接部之间形成的夹角变大，进而使得光信号与该第一光栅部和第二光栅部表面的耦合情况发生改变，即改变了传递到该光探测器上的光信号的光谱，通过光探测器检测的光信号的光谱的变化情况，并根据该光谱的变化情况与待测电荷量的对应关系，得到待测电荷量。

Description

基于表面等离激元的高精度光学验电装置及系统

技术领域

本申请涉及电荷量检测领域，具体而言，涉及一种基于表面等离激元的高精度光学验电装置及系统。

背景技术

验电装置时日常用于检测电荷量大小的装置，通过对电荷量的检测，电荷量简称电荷，是物体所带电荷的量值，电量的国际单位是库仑，通过对电荷量的检测并通过计算就可以得到其他电学参数。

现有技术中，一般获取电荷量通过电学公式，通过电荷量、电流和时间的关系；或者通过电荷量、电容和电压的关系，通过测量得到其他的电学参数，然后通过电学公式进行计算，进而得到待测电荷量。

但是，由于现有技术中需要对多种电学参数进行测量，在测量其他电学参数中易于引入误差，使得检测得到的电荷量不准确，或者由于现有技术中检测其他电学参数的仪器精度不足，使得最终通过计算得到的电荷量不够精确。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种基于表面等离激元的高精度光学验电装置及系统，以解决现有技术中由于现有技术中需要对多种电学参数进行测量，在测量其他电学参数中易于引入误差，使得检测得到的电荷量不准确，或者由于现有技术中检测其他电学参数的仪器精度不足，使得最终通过计算得到的电荷量不够精确的问题。

为实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本申请提供一种基于表面等离激元的高精度光学验电装置，装置包括：避光盒、光源、光探测器、连接部、验电部、第一薄膜、第二薄膜、第一石墨烯层、第二石墨烯层、第一光栅部和第二光栅部；光源和光探测器设置在避光盒内部相对的两个面上，验电部的一端贯穿避光盒的外壁伸入到避光盒内部，另一端设置在避光盒的外部，且验电部与光源和光探测器的连线垂直，连接部与避光盒内部的验电部的一端连接，第一薄膜和第二薄膜的一端均与连接部可转动连接，光源和光探测器的连接线均经过第一薄膜和第二薄膜，第一石墨烯层设置在第一薄膜远离第二薄膜的一侧，第一光栅部设置在第一石墨烯层远离第一薄膜的一侧，第二石墨烯层设置在第二薄膜远离第一薄膜的一侧，第二光栅部设置在第二石墨烯层远离第二薄膜的一侧。

可选地，该第一薄膜和第二薄膜之间填充有形变部，形变部的材料为电致伸缩材料。

可选地，该装置还包括第三石墨烯层和第四石墨烯层，第三石墨烯层设置在第一光栅部远离第一薄膜的一侧，第四石墨烯层设置在第二光栅部远离第二薄膜的一侧。

可选地，该装置还包括贵金属层，贵金属层设置在第一薄膜和第二薄膜远离连接部的一端与避光盒内壁之间。

可选地，该第一光栅部和第二光栅部的材料为电致伸缩材料。

可选地，该第一薄膜和第二薄膜均为导电膜。

可选地，该第一光栅部和第二光栅部的栅距均为50nm-200nm。

可选地，该第一石墨烯层和第二石墨烯层均为多个相互平行设置的条状石墨烯，且多个条状石墨烯与第一光栅部和第二光栅部的光栅条之间的夹角均为30度-160度。

第二方面，本申请提供一种基于表面等离激元的高精度光学验电系统，系统包括：计算机和第一方面任意一项的基于表面等离激元的高精度光学验电装置，计算机与装置的光探测器电连接，计算机用于获取光探测器检测的出射光谱，并根据出射光谱与待测带电量的对应关系，得到待测带电量。

本发明的有益效果是：

本申请提供的基于表面等离激元的高精度光学验电装置，装置包括：避光盒、光源、光探测器、连接部、验电部、第一薄膜、第二薄膜、第一石墨烯层、第二石墨烯层、第一光栅部和第二光栅部；光源和光探测器设置在避光盒内部相对的两个面上，验电部的一端贯穿避光盒的外壁伸入到避光盒内部，另一端设置在避光盒的外部，且验电部与光源和光探测器的连线垂直，连接部与避光盒内部的验电部的一端连接，第一薄膜和第二薄膜的一端均与连接部可转动连接，光源和光探测器的连接线均经过第一薄膜和第二薄膜，第一石墨烯层设置在第一薄膜远离第二薄膜的一侧，第一光栅部设置在第一石墨烯层远离第一薄膜的一侧，第二石墨烯层设置在第二薄膜远离第一薄膜的一侧，第二光栅部设置在第二石墨烯层远离第二薄膜的一侧；当需要待测电荷区域的电荷量进行检测前，打开本申请的装置的光源，光信号传递到第一光栅部和第二光栅部上，使得该第一光栅部和第二光栅部的表面的自由电子发生集体震荡，光信号的电磁波与第一光栅部和第二光栅部表面的自由电子发生耦合产生表面等离激元现象，进而使用该光探测器检测通过该第一光栅部和第二光栅部传递到光探测器上光信号的光谱，当电子的振荡频率与入射光信号的波长的频率一致就会产生共振，光探测器探测到的透射光谱会形成一个共振峰，当需要待测电荷区域的电荷量进行检测时，待测电荷区域的电荷通过该验电部进入到该第一薄膜和第二薄膜上，第一薄膜和第二薄膜在同性电荷的斥力的作用下相互远离，并且由于该连接部的存在，该第一薄膜、第二薄膜和连接部之间形成的夹角变大，进而使得光信号与该第一光栅部和第二光栅部表面的耦合情况发生改变，即改变了传递到该光探测器上的光信号的光谱，通过光探测器检测的光信号的光谱的变化情况，并根据该光谱的变化情况与待测电荷量的对应关系，得到待测电荷量，本申请将电荷量的检测转化为光信号的光谱的检测，由于光学上对光信号的检测技术较为成熟，因此检测得到的光信号的光谱的准确性较高，因此使得通过检测光信号得到的电荷量的准确度也较高。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的一种基于表面等离激元的高精度光学验电装置的结构示意图；

图2为本发明一实施例提供的一种基于表面等离激元的高精度光学验电装置的截面示意图。

图标：10-避光盒；20-光源；30-光探测器；40-连接部；50-验电部；60-第一薄膜；61-第二薄膜；70-第一石墨烯层；71-第二石墨烯层；80-第一光栅部；81-第二光栅部。

具体实施方式

为了使本发明的实施过程更加清楚，下面将会结合附图进行详细说明。

图1为本发明一实施例提供的一种基于表面等离激元的高精度光学验电装置的结构示意图；图2为本发明一实施例提供的一种基于表面等离激元的高精度光学验电装置的截面示意图；如图1和图2所示，本申请提供一种基于表面等离激元的高精度光学验电装置，装置包括：避光盒10、光源20、光探测器30、连接部40、验电部50、第一薄膜60、第二薄膜61、第一石墨烯层70、第二石墨烯层71、第一光栅部80和第二光栅部81；光源20和光探测器30设置在避光盒10内部相对的两个面上，验电部50的一端贯穿避光盒10的外壁伸入到避光盒10内部，另一端设置在避光盒10的外部，且验电部50与光源20和光探测器30的连线垂直，连接部40与避光盒10内部的验电部50的一端连接，第一薄膜60和第二薄膜61的一端均与连接部40可转动连接，光源20和光探测器30的连接线均经过第一薄膜60和第二薄膜61，第一石墨烯层70设置在第一薄膜60远离第二薄膜61的一侧，第一光栅部80设置在第一石墨烯层70远离第一薄膜60的一侧，第二石墨烯层71设置在第二薄膜61远离第一薄膜60的一侧，第二光栅部81设置在第二石墨烯层71远离第二薄膜61的一侧。

该避光盒10使用遮光材料制成，一般的，该避光盒10的表面涂覆有黑色涂层，使得外界的光难以透过该避光盒10进入该避光盒10的内部，进而避免外界的杂质光对检测电荷量的影响，从而使得对电荷量的检测更加准确，该避光盒10的形状一般根据实际需要进行设置。为了方便说明，在此以该避光盒10的形状为长方体空腔结构进行说明，长方体的空腔结构的避光盒10的内部设置有光源20、光探测器30、连接部40、第一薄膜60、第二薄膜61、第一石墨烯层70、第二石墨烯层71、第一光栅部80和第二光栅部81。其中，该避光盒10相对的两个内壁上分别设置有光源20和光探测器30，该光源20与光探测器30的设置位置相对，即该光源20产生的光信号可以进入到该光探测器30中，验电部50穿过该避光盒10的一个壁，使得该验电部50的一端设置在该避光盒10的内部，另一端设置在该避光盒10的外部，该连接部40与该验电部50处于避光盒10的一端连接，且该连接部40的两端分别可转动设置有第一薄膜60和第二薄膜61，即该第一薄膜60、第二薄膜61和验电部50均悬空设置，该连接部40用于将该第一薄膜60和第二薄膜61的一端进行连接，并使得该第一薄膜60和第二薄膜61在电荷力的作用下发生转动，即该第一薄膜60在电荷力的作用下绕着该连接部40的一端，向远离该第二薄膜61的方向转动，该第二薄膜61在电荷力的作用下绕着该连接部40的另一端，向远离该第一薄膜60的方向转动，即该第一薄膜60和第二薄膜61可以在外力的作用下围绕该连接部40发生一定的位移，即该第一薄膜60和第二薄膜61的一端均可以围绕该连接部40旋转一定的角度。需要说明的是，该第一薄膜60和第二薄膜61在外力的作用下进行转动，但该第一薄膜60和第二薄膜61与外壳10设置该连接部40的侧壁一直保持垂直，该连接部40上还设置有验电部50，该验电部50为条状金属结构，且该验电部50的一端穿过该避光盒10，延伸至该避光盒10的外部，该验电部50用于将外界的电荷导入到该连接部40上，电荷经过该连接部40分别到达该第一薄膜60和第二薄膜61，且在实际应用中，该第一薄膜60和第二薄膜61的理化性质完全相同，即该第一薄膜60和第二薄膜61接收到的电荷量完全相同，该第一薄膜60靠近光源20的一侧依次设置有该第一石墨烯层70和该第一光栅部80，该第二薄膜61靠近光探测器30的一侧依次设置有该第二石墨烯层71和该第二光栅部81，该第一光栅部80和该第二光栅部81由多个光栅条组成，且多个光栅条之间可以相互耦合，透过光栅条之间的相互耦合，将电荷进行传递，该第一光栅条和第二光栅条的材料为贵金属材料，也可以为贵金属材料中的任意一种或者多种，该第一石墨烯和第二石墨烯层71的作用主要用于消除时间滞留，因为第一石墨烯层70和第一光栅部80之间，第二石墨烯层71和第二光栅部81之间局域更多的电磁场，帮助电荷在膜传播，加速电荷的传播，从而使得该第一薄膜60和第二薄膜61快速发生位移，即该第一薄膜60和第二薄膜61之间的角度发生改变，减少时间上的滞留。

另外，因为第一石墨烯层70和第一光栅部80之间，第二石墨烯层71和第二光栅部81之间局域更多的电磁场，第一薄膜60和第二薄膜61之间的张角的变化使得局域电磁场的改变更多，从而增大透射率的差异，还会提高检测的灵敏度，第一薄膜60、第二薄膜61的材料要选用透明导电的材料，如金属薄膜、氧化物、薄金属、氧化物复合材料结构、掺杂具共轭键的有机导电高分子中一种或者多种；具导电性的导电碳材如石墨烯、纳米碳管中一种或者多种；或是设计肉眼看不到网格的结构如金属网格或金属网络。

除此之外，当需要待测电荷区域的电荷量进行检测前，打开本申请的装置的光源20，光信号传递到第一光栅部80和第二光栅部81上，使得该第一光栅部80和第二光栅部81的表面的自由电子发生集体震荡，光信号的电磁波与第一光栅部80和第二光栅部81表面的自由电子发生耦合产生表面等离激元现象，进而使用该光探测器30检测通过该第一光栅部80和第二光栅部81传递到光探测器30上光信号的光谱，当电子的振荡频率与入射光信号的波长的频率一致就会产生共振，光探测器30探测到的透射光谱会形成一个共振峰，当需要待测电荷区域的电荷量进行检测时，待测电荷区域的电荷通过该验电部50进入到该第一薄膜60和第二薄膜61上，第一薄膜60和第二薄膜61在同性电荷的斥力的作用下相互远离，并且由于该连接部40的存在，该第一薄膜60、第二薄膜61和连接部40之间形成的夹角变大，进而使得光信号与该第一光栅部80和第二光栅部81表面的耦合情况发生改变，即改变了透射到该光探测器30上的光信号的光谱，通过光探测器30检测的光信号的光谱的变化情况，并根据该光谱的变化情况与待测电荷量的对应关系，得到待测电荷量，在实际应用中，该光谱的变化情况与待测电荷量的对应关系，根据实验检测得到，在此不做具体限定，本申请将电荷量的检测转化为光信号的光谱的检测，由于光学上对光信号的检测技术较为成熟，因此检测得到的光信号的光谱的准确性较高，因此使得通过检测光信号得到的电荷量的准确度也较高。

另外，第一薄膜50和第二薄膜51的材料要选用透明导电的材料，如金属薄膜、氧化物、薄金属、氧化物复合材料结构、掺杂具共轭键的有机导电高分子中一种或者多种；具导电性的导电碳材如石墨烯、纳米碳管中一种或者多种；或是设计网格的结构如金属网格或金属网络，这些材料一方面有良好的透光性保证光源20照射的光可以透射过去更多的光到达光探测器30，使得灵敏度更高，另一方面这些材料有良好的导电性，可以让电荷以最快的速度传输，提高检测瞬时性。第一金属层60和第二金属层61的厚度为20nm-120nm，确保光源20照射的光可以透射过去一部分到达光探测器30。

另外，在实际应用中，通过光探测器30检测得到的光谱计算或者映射得到待测电荷量的方法一般为：在本申请的装置未接触待测电荷区域之前，该光探测器30检测光信号的透射光谱T1，在检测待测电荷区域之后，该光探测器30检测光信号的透射光谱T2，通过计算得到前后的透射率变化情况，即求T1和T2的差，并根据该透射率变化情况与待测电荷量的对应关系，得到待测电荷量，该透射率变化情况与待测电荷量的对应关系根据实验测量得到，在此不做具体限定。

可选地，该第一薄膜60和第二薄膜61之间填充有形变部，形变部的材料为电致伸缩材料。

该形变部一方面用于对第一薄膜60和第二薄膜61进行支撑和保护，避免该第一薄膜60和第二薄膜61在形变的时候发生损坏，使得该第一薄膜60和第二薄膜61的使用寿命加长，另一方面，由于电致伸缩材料在电荷的作用下发生形变，当需要对待测电荷区域进行检测的时候，电荷进入到该第一薄膜60和第二薄膜61中时，该第一薄膜60和第二薄膜61之间的夹角发生改变时，该形变部也发生体积变化，进一步的改变该第一薄膜60和第二薄膜61之间的距离，从而使得第一光栅和第二光栅之间的间距发生改变，从而改变了第一光栅和第二光栅之间的耦合，进而更大程度上改变了透射到光探测器30上的光信号的透射率，进而使得本申请检测电荷的灵敏度和准确性均得到提高。

可选地，该装置还包括第三石墨烯层和第四石墨烯层，第三石墨烯层设置在第一光栅部80远离第一薄膜60的一侧，第四石墨烯层设置在第二光栅部81远离第二薄膜61的一侧。

由于石墨烯材料上的载流子的迁移率很好，则将该第三石墨烯层设置在第一光栅部80远离第一薄膜60的一侧，第四石墨烯层设置在第二光栅部81远离第二薄膜61的一侧，使得第一光栅部80和第二光栅部81上的电荷的传递过程中的滞留时间减少，并且第三石墨烯层和第一石墨烯层70之间，第四石墨烯层和第二石墨烯层71之间的耦合，会聚集较大的电磁场，使得该电致伸缩材料的形变部的形变程度更大，进而使得透射到该光探测器30上的光信号的透射率变化差异更大，从而进一步的提高本申请的装置对电荷量检测的准确度。

可选地，该装置还包括贵金属层，贵金属层设置在第一薄膜60和第二薄膜61远离连接部40的一端与避光盒10内壁之间。

该避光盒10内部设置有贵金属层，该第一薄膜60和第二薄膜61远离该连接部40的一端与该避光盒10之间设置有贵金属层，即该贵金属层设置在该避光盒10的靠近该第一薄膜60和第二薄膜61底部的内壁上，使得该避光盒10的侧壁位置的结构为：避光盒10的侧壁，贵金属层和该连接部40，且该第一薄膜50和第二薄膜51均设置在该贵金属层靠近该固定部40一侧的表面，该贵金属层的材料为贵金属中的任意一种或者多种，在此不做具体限定，该贵金属层可以与该第一薄膜60和第二薄膜61发生耦合，使得该第一薄膜60和第二薄膜61在电荷的作用下，使得夹角发生变化之后，该贵金属层分别与该第一薄膜60和第二薄膜61的耦合也发生改变，进而进一步的改变透射到该光探测器30上的光信号的透射率，从而使得本申请的装置对电荷量的检测的灵敏度和准确性。

可选地，该第一光栅部80和第二光栅部81的材料为电致伸缩材料。

电致伸缩材料的第一光栅部80和第二光栅部81，使得该第一光栅部80和第二光栅部81在第一薄膜60和第二薄膜61之间的夹角发生改变和形变的时候，该第一光栅部80和第二光栅部81也发生相应的形变，避免因为形变造成的损坏，进而使得本申请的装置的使用寿命得到延长，另外，电致伸缩材料的第一光栅部80和第二光栅部81的光栅条之间的电荷形成的电场，也进一步的改变该第一光栅部80和第二光栅部81的栅距，使得透射率的差异变化更大，从而使得本申请的装置对电荷量检测的灵敏度更高。

可选地，该第一薄膜60和第二薄膜61均为导电膜。

该第一薄膜60和第二薄膜61可以为金属薄膜、氧化物/薄金属/氧化物复合材料结构、掺杂具共轭键的有机导电高分子；具导电性的导电碳材如石墨烯层、奈米碳管；或是设计肉眼看不到网格的结构如金属网格、金属网络中的任意一种，导电膜的第一薄膜60和第二薄膜61可以帮助电荷的传输，提高检测的灵敏度。

可选地，该第一光栅部80和第二光栅部81的栅距均为50nm-200nm。

电荷在第一光栅部80和第二光栅部81上传输时，在第一薄膜60和第二薄膜61上，一个方向沿着第一光栅部80和第二光栅部81上的SP模式传播，即就是第一光栅部80和第二光栅部81上的光栅条两两之间的传播，另一个方向上，第一光栅部80和第二光栅部81上的光栅条导电，电荷沿着光栅条传输，该第一光栅部80和第二光栅部81的栅距均为50nm-200nm，第一光栅部80和第二光栅部81帮助电荷的传输，提高检测电荷量的灵敏度。

可选地，该第一石墨烯层70和第二石墨烯层71均为多个相互平行设置的条状石墨烯，且多个条状石墨烯与第一光栅部80和第二光栅部81的光栅条之间的夹角均为30度-160度。

第一石墨烯层70中的条状石墨烯均相互平行，该第二石墨烯层71中的条状石墨烯均相互平行，该第一石墨烯层70中的条状石墨烯与该第二石墨烯层中的条状石墨烯之间设置有夹角，且该夹角为30度-160度之间任意角度，如此设置使得该第一石墨烯层70和第二石墨烯层71上的电荷可以沿着该石墨烯条的方向进行多方向传播，进而提高检测电荷量的灵敏度。

本申请提供一种基于表面等离激元的高精度光学验电系统，系统包括：计算机和上述任意一项的基于表面等离激元的高精度光学验电装置，计算机与装置的光探测器30电连接，计算机用于获取光探测器30检测的出射光谱，并根据出射光谱与待测带电量的对应关系，得到待测带电量。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于表面等离激元的高精度光学验电装置，其特征在于，所述装置包括：避光盒、光源、光探测器、连接部、验电部、第一薄膜、第二薄膜、第一石墨烯层、第二石墨烯层、第一光栅部和第二光栅部；所述光源和所述光探测器设置在所述避光盒内部相对的两个面上，所述验电部的一端贯穿所述避光盒的外壁伸入到所述避光盒内部，另一端设置在所述避光盒的外部，且所述验电部与所述光源和所述光探测器的连线垂直，所述连接部与所述避光盒内部的验电部的一端连接，所述第一薄膜和所述第二薄膜的一端均与所述连接部可转动连接，所述光源和所述光探测器的连接线均经过所述第一薄膜和所述第二薄膜，所述第一石墨烯层设置在所述第一薄膜远离所述第二薄膜的一侧，所述第一光栅部设置在所述第一石墨烯层远离所述第一薄膜的一侧，所述第二石墨烯层设置在所述第二薄膜远离所述第一薄膜的一侧，所述第二光栅部设置在所述第二石墨烯层远离所述第二薄膜的一侧。

2.根据权利要求1所述的基于表面等离激元的高精度光学验电装置，其特征在于，所述第一薄膜和所述第二薄膜之间填充有形变部，所述形变部的材料为电致伸缩材料。

3.根据权利要求2所述的基于表面等离激元的高精度光学验电装置，其特征在于，所述装置还包括第三石墨烯层和第四石墨烯层，所述第三石墨烯层设置在所述第一光栅部远离所述第一薄膜的一侧，所述第四石墨烯层设置在所述第二光栅部远离所述第二薄膜的一侧。

4.根据权利要求3所述的基于表面等离激元的高精度光学验电装置，其特征在于，所述装置还包括贵金属层，所述贵金属层设置在所述第一薄膜和所述第二薄膜远离所述连接部的一端与所述避光盒内壁之间。

5.根据权利要求4所述的基于表面等离激元的高精度光学验电装置，其特征在于，所述第一光栅部和所述第二光栅部的材料为电致伸缩材料。

6.根据权利要求5所述的基于表面等离激元的高精度光学验电装置，其特征在于，所述第一薄膜和所述第二薄膜均为导电膜。

7.根据权利要求6所述的基于表面等离激元的高精度光学验电装置，其特征在于，所述第一光栅部和所述第二光栅部的栅距均为50nm-200nm。

8.根据权利要求7所述的基于表面等离激元的高精度光学验电装置，其特征在于，所述第一石墨烯层和所述第二石墨烯层均为多个相互平行设置的条状石墨烯，且多个条状石墨烯与所述第一光栅部和所述第二光栅部的光栅条之间的夹角均为30度-160度。

9.一种基于表面等离激元的高精度光学验电系统，其特征在于，所述系统包括：计算机和权利要求1-8任意一项所述的基于表面等离激元的高精度光学验电装置，所述计算机与所述装置的光探测器电连接，所述计算机用于获取所述光探测器检测的出射光谱，并根据所述出射光谱与待测带电量的对应关系，得到待测带电量。

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