[发明专利]一种基于石墨烯的超声探测装置及其探测方法和用途

说明书

本发明公开了一种基于石墨烯的超声探测装置及其探测方法和用途。本发明的超声探头采用石墨烯薄膜的上下表面分别粘贴棱镜和盛满水的水槽，探测光聚焦在棱镜的底面形成探测窗口，石墨烯薄膜具有光偏振吸收特性，超声波引起s偏振光和p偏振光的吸收发生不同响应的非线性变化，超声波信号通过光信号的强度差的变化转化为电信号；本发明通过全内反射这种特殊的石墨烯薄膜与光作用方式，能够探测传统超声换能器所不能探测的宽频超声信号；本发明制备的基于石墨烯的超声探测器，在全内反射点处探测到超声波信号，操作简单，易小型化集成阵列实现大面积的超声波探测。

技术领域

本发明涉及超声探测技术，具体涉及一种基于石墨烯的超声探测装置及其探测方法。

背景技术

超声波是一种频率高于20000赫兹的声波，在医学、军事、工业、农业等诸多领域都有很广的应用。例如超声波探伤、测厚、测距、遥控和超声成像；超声焊接、钻孔、固体的粉碎、乳化、脱气、除尘；超声检测心脏、胎儿等等。目前，探测超声波的方法主要是用超声换能器进行探测。超声换能器是由压电材料制成，对压电晶片的共振频率的超声波探测灵敏度较高，因此能有效探测的频域范围有限，实际应用中会损失部分频率信息。此外，电子学背景噪声存在，压电材料越小噪声越大，这就限制了基于压电材料的探测器尺寸。到目前为止，还没有一种方法能在工艺简单、操作方便的基础上对宽频带的超声波进行探测。

发明内容

针对目前现有的超声波探测仪器不能探测宽频超声和尺寸瓶颈的问题，本发明提出了一种基于石墨烯的超声探测装置及其探测方法，利用石墨烯的光偏振吸收特性，通过选择合适的石墨烯的厚度和探测光的入射角度来对宽频超声波进行高灵敏探测。

本发明的一个目的在于提出一种基于石墨烯的超声探测装置。

本发明的基于石墨烯的超声探测装置包括：探测光装置、超声探头、偏振分束器、平衡探测器、放大器和示波器；其中，超声探头包括水槽、石墨烯薄膜和棱镜，石墨烯薄膜的下表面附着在透明的基底上，基底通过折射率匹配液粘贴在棱镜的表面，石墨烯薄膜的上表面粘贴盛满水的水槽，水槽的表面密封；探测光装置发出圆偏振光，经透镜聚焦后作为探测光，入射至超声探头的棱镜，聚焦在棱镜的底面，并在焦点处发生全内反射，在焦点处形成探测窗口；当位于探测窗口上的水槽里有超声波时，引起水的折射率变化；石墨烯薄膜具有光偏振吸收特性，引起s偏振光和p偏振光的吸收发生不同响应的非线性变化；从棱镜反射出来的光束携带着探测到的超声波的信息；经透镜聚焦后，通过偏振分束器分成s偏振光和p偏振光，分别由高带宽的平衡探测器的两个探头接收；s偏振光和p偏振光的强度差的变化转变成电压信号；经放大器后被示波器接收记录；超声波信号通过光信号的强度差的变化转化为可被探测的电压信号。

水槽包括水槽基板和通孔，在水槽基板内开设通孔，水槽基板的下表面密封粘贴在石墨烯薄膜的上表面，通孔内盛满水，水槽基板的上表面采用保鲜膜密封，从而水与石墨烯薄膜的上表面直接接触。

探测光装置包括：激光器、衰减片、起偏器和1/4玻片或1/2玻片；其中，激光器发出激光，通过衰减片调节强度后，通过起偏器变为线偏振光，经过1/4玻片或1/2玻片转为圆偏振光。

石墨烯薄膜为石墨烯单晶，采用化学气相沉积法或机械剥离法制备，或者采用氧化石墨烯还原制备。

石墨烯薄膜附着在透明的基底上，基底采用石英片，石英片通过折射率匹配液与棱镜紧密贴合。

石墨烯薄膜的上下表面分别为水和棱镜，探测光在棱镜与水的界面的入射角为全反射角。