[发明专利]一种基于石墨烯偏振效应的折射率实时测定方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种折射率的实时测定领域，特别涉及一种基于石墨烯偏振吸收效应测量折射率的实时测定方法和装置。

背景技术

折射率测量在生物，医学，光学等诸多领域都有很广的应用。尤其对于液体浓度检测，液体成分鉴定等方面有较广应用。目前，用于测量折射率的方法有很多，如；掠入射法、薄膜干涉法等，这些方法都建立在传统的折射反射定律基础之上，各有所长，各具特色。但是，这些方法都只用于测量大量液体，均匀液体的折射率。然而，实际液体尤其是微流体的组成往往是复杂的、非均匀的，并且很多情况是极其微量的，如血液，组织液。对于这些液体，现有的方法很难微量的、大范围的、高响应的、实时监测这些液体的折射率变化。此外，对于待测的液体，现有的方法一般只能够得到一个折射率的数值。到目前为止，还很少有一种方法能够方便的实现在不需要动任何测量器件的基础上实现折射率的实时检测，并给出折射率的变化曲线。石墨烯材料具有优异的光学性能，当石墨烯置于棱镜上时，不同偏振的输入光在全反射下的反射率将强烈的依赖于基底材料的折射率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够实时监测材料折射率变化的方法和装置，以便更为快速准确的反应材料的改变或动态反应过程。

为实现上述目的，本发明所述方法的步骤如下：

第一步，将石墨烯贴合在棱镜上，并在石墨烯另一面附着基底材料；

第二步，使用圆偏振光或非偏振光入射，通过凸透镜会聚到带有石墨烯的棱镜和基底材料的交界面，使用偏振分光将全反射光分成s偏振和p偏振的两束光，分别用凸透镜聚焦后使用平衡探测器探测s偏振和p偏振的电信号。调节高度和棱镜角度使聚焦圆偏振光打在和石墨烯接触的基底材料上，并且在该界面发生全反射；

第三步，利用一定折射率的材料，如水或空气，作为标准材料，调节平衡探测器前的衰减片使得平衡探测器的输出信号为零；

第四步，基底材料折射的改变，例如通入不同折射率的NaCl水溶液，将引起平衡探测器输出电压信号的变化，存储该电压变化的幅度和时间；

第五步，分别使用第三步和第四步可以得出棱镜折射率N1和液体折射率N2的差值ΔN随s偏振信号和p偏振信号差，也就是平衡探测器输出电压信号的变化值ΔU的变化关系曲线；

第六步，由第五步得到的待测基底材料s偏振信号和p偏振信号差值ΔU，对应ΔN随ΔU的变化关系曲线即可实时监测微流体芯片内待测液体的折射率。

所述的棱镜的位置是固定的。

再一方面，本发明实施例的提供了一种利用石墨烯偏振吸收效应实时测定折射率的装置，该装置包括：

图1是使用本方法的光路平视图，图中，1是光源，2是凸透镜；3是棱镜/石墨烯/基底材料；4是偏振分光；5是反射镜；6是可调衰减片；7是凸透镜；8是平衡探测器；

本装置的具体实施步骤如下：

第一步，将石墨烯贴合在棱镜上，并在石墨烯另一面附着基底材料；

第二步，使用圆偏振光或非偏振光入射，通过凸透镜会聚到带有石墨烯的棱镜和基底材料的交界面，使用偏振分光将全反射光分成s偏振和p偏振的两束光，两种偏振的反射率不同，且其差别依赖于基底材料折射率，图2给出了三种不同折射率基底材料下的s偏振和p偏振光的反射率随入射角度的变化，分别用凸透镜聚焦后使用平衡探测器探测s偏振和p偏振的电信号。调节高度和棱镜角度使聚焦圆偏振光打在和石墨烯接触的基底材料上，并且在该界面发生全反射；

第三步，利用一定折射率的材料，如水或空气，作为标准材料，调节平衡探测器前的衰减片使得平衡探测器的输出信号为零；

第四步，基底材料折射的改变，例如通入不同折射率的NaCl水溶液，将引起平衡探测器输出电压信号的变化，存储该电压变化的幅度和时间；

第五步，分别使用第三步和第四步可以得出棱镜折射率N1和液体折射率N2的差值ΔN随s偏振信号和p偏振信号差，也就是平衡探测器输出电压信号的变化值ΔU的变化关系曲线。图3是ΔN随ΔU的变化关系曲线示意图；

第六步，由第五步得到的待测基底材料s偏振信号和p偏振信号差值ΔU，对应ΔN随ΔU的变化关系曲线即可实时监测微流体芯片内待测液体的折射率。图4是某微流体折射率变化曲线示意图。

附图说明

图1是光路平视图。

图2是s偏振和p偏振光下石墨烯棱镜结构的反射率随角度的变化

图3是ΔN随ΔU的变化关系曲线示意图。

图4是某微流体折射率变化曲线实验图。