本發(fā)明屬于光學(xué)傳感
技術(shù)領(lǐng)域:
,涉及一種光學(xué)傳感器,具體的說(shuō)為一種基于bsw的光學(xué)傳感器及采用該光學(xué)傳感器進(jìn)行光學(xué)檢測(cè)的方法。
背景技術(shù):
:光學(xué)傳感器是一種實(shí)時(shí)、原位的檢測(cè)不同物質(zhì)間相互作用和結(jié)合動(dòng)力學(xué)的技術(shù),當(dāng)固定在傳感芯片表面上的受體與被檢測(cè)的物質(zhì)結(jié)合以后,利用不同物理原理設(shè)計(jì)的光學(xué)傳感器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種不同物質(zhì)性能的檢測(cè)。通過(guò)對(duì)光學(xué)傳感器的多年研究,目前比較成熟的技術(shù)主要是基于標(biāo)記物的檢測(cè)技術(shù),一般對(duì)待測(cè)物質(zhì)較難實(shí)現(xiàn)快速實(shí)時(shí)檢測(cè),而影響了檢測(cè)效率。與帶標(biāo)記的方法相比,免標(biāo)記方法還可以盡量保持被模擬研究的待測(cè)物的原有環(huán)境。因此,免標(biāo)記的分析方法是一個(gè)新的研究方向和發(fā)展趨勢(shì)。這種免標(biāo)記的光學(xué)傳感器可以應(yīng)用在生物學(xué)、化學(xué)、醫(yī)學(xué)和國(guó)防等方面,例如,在選擇性識(shí)別目標(biāo)生物分子、生物分子間的相互作用分析、熒光分子分析物檢測(cè);除此之外,這種傳感器還能夠應(yīng)用于環(huán)境檢測(cè)等,例如,對(duì)大氣和水溶液中某種化學(xué)物質(zhì)濃度的分析檢測(cè),可以看出大氣污染或者水污染的程度。近幾十年來(lái),基于光學(xué)表面波的免標(biāo)記光學(xué)檢測(cè)技術(shù)獲得了迅猛發(fā)展,目前已被廣泛應(yīng)用并商業(yè)化的免標(biāo)記光學(xué)傳感器中,一種綜合效果很好的是表面等離子共振(surfaceplasmonresonance,spr)傳感器。spr是基于表面等離子波(surfaceplasmonwave,spw)的一種物理光學(xué)效應(yīng),通常在金屬與外界介質(zhì)的界面之間激發(fā),當(dāng)入射光波的傳播常數(shù)與spw的傳播常數(shù)相匹配時(shí),會(huì)引起金屬膜內(nèi)自由電子產(chǎn)生共振,也即spr。例如,中國(guó)專(zhuān)利cn106053390a公開(kāi)了一種含吸收介質(zhì)石墨烯的表面缺陷腔光子晶體折射率傳感器,這種傳感器通過(guò)周期性光子晶體構(gòu)建的表面缺陷腔結(jié)構(gòu),周期性光子晶體采用高折射率材料和低折射率材料周期排列,在表面缺陷腔內(nèi)放置石墨烯,并且,其結(jié)構(gòu)組成必須為低折射率材料-石墨烯-低折射率材料,其中石墨烯作為接收介質(zhì)。最終結(jié)構(gòu),石墨烯兩側(cè)相鄰的均是低折射率材料。否則,石墨烯不能完成接收功能。中國(guó)專(zhuān)利cn205120588u公開(kāi)了一種表面等離激元共振生物傳感器,其包括棱鏡,棱鏡表面設(shè)置有納米顆粒陣列外覆金屬膜和二氧化硅膜,二氧化硅膜外設(shè)置一層石墨烯。其公開(kāi)了一種采用多層膜結(jié)構(gòu)的生物傳感器,通過(guò)納米顆粒陣列金屬膜和二氧化硅膜共同對(duì)入射光作用,以激發(fā)spw效應(yīng)。其必須依賴(lài)于金屬特性和二氧化硅的特性。而且,所有的基于spw的光學(xué)傳感器還存在一應(yīng)用缺陷,即其僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)tm波的檢測(cè),而不能實(shí)現(xiàn)對(duì)te波的檢測(cè)。除了spw外,近年來(lái)基于布洛赫表面波(blochsurfacewave,bsw)的生物光學(xué)傳感器的研究也逐漸受到關(guān)注,bsw通常存在于介質(zhì)與介質(zhì)之間的交界面上,比如在光子晶體與外界介質(zhì)的交界面處。目前研究的大多數(shù)是基于光子晶體的bsw,在有限周期的光子晶體結(jié)構(gòu)表面可以激發(fā)bsw,對(duì)bsw的研究大多數(shù)也集中在可見(jiàn)光范圍內(nèi)。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:本發(fā)明的目的在于提供一種基于bsw的光傳感器,同時(shí)還提供了一種采用該傳感器進(jìn)行待測(cè)物性能檢測(cè)的方法。本發(fā)明的內(nèi)容為:在光學(xué)基底表面外覆至少一層非金屬膜,最外層非金屬膜外覆至少一層石墨烯。當(dāng)光波由光學(xué)基底入射,多層非金屬膜共同作用以激發(fā)bsw,到最接近石墨烯的一層非金屬膜處,形成足夠強(qiáng)的電場(chǎng)分布,使石墨烯能夠強(qiáng)烈的吸收bsw頻率的光波。光學(xué)基底可以選用棱鏡或光柵。優(yōu)選為:最外層石墨烯外覆至少一層非金屬膜。優(yōu)選為:光學(xué)基底表面如果覆有多層非金屬膜,相鄰非金屬膜的折射率是不同的。非金屬膜可以采用高折射率材料或低折射率材料。優(yōu)選為:棱鏡的折射率大于1且大于待測(cè)物質(zhì)的折射率。光學(xué)傳感檢測(cè)的方法,具體為,根據(jù)非金屬膜的折射率、各層非金屬膜的厚度及層數(shù)的配合,使在最靠近石墨烯的一層非金屬膜處獲得bsw激發(fā)效果。針對(duì)某待測(cè)物質(zhì),這種最佳的激發(fā)效果不是通過(guò)固定的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的,可以通過(guò)不同的非金屬膜的折射率、各層非金屬膜的厚度及層數(shù)的配合關(guān)系,均實(shí)現(xiàn)bsw的激發(fā)效果,也就是說(shuō),需要結(jié)合非金屬膜的特性設(shè)計(jì)。優(yōu)選為:在進(jìn)行紅外波段至太赫茲波段光檢測(cè)時(shí),可以通過(guò)改變石墨烯的費(fèi)米能級(jí),使在最靠近石墨烯的一層非金屬膜處獲得bsw激發(fā)效果。優(yōu)選為:改變光的入射角度,使在最靠近石墨烯的一層非金屬膜處獲得bsw激發(fā)效果。本發(fā)明的有益效果為:提供了一種基于bsw的光學(xué)傳感器。采用不同折射率的非金屬材料構(gòu)成的多層膜結(jié)構(gòu)表面可以激發(fā)bsw,但是如果這里使用的非金屬材料本身的損耗很小或者損耗的影響可以忽略,則在該多層膜表面激發(fā)的bsw無(wú)法用于光學(xué)檢測(cè),而如果在激發(fā)了bsw的多層膜結(jié)構(gòu)表面覆蓋石墨烯,將可以實(shí)現(xiàn)石墨烯對(duì)基于bsw的特定頻率電磁波的強(qiáng)烈吸收,即此時(shí)該頻率電磁波的反射率很小,甚至可以實(shí)現(xiàn)對(duì)該頻率電磁波的完全吸收,即對(duì)應(yīng)反射率等于零。在紅外波段,石墨烯的電導(dǎo)率與費(fèi)米能級(jí)有關(guān),通過(guò)改變石墨烯的費(fèi)米能級(jí),可以調(diào)節(jié)石墨烯的電導(dǎo)率來(lái)改變石墨烯的折射率,使激發(fā)的bsw的波長(zhǎng)和角度有更大的變化范圍,使該種結(jié)構(gòu)可以用來(lái)設(shè)計(jì)更加靈敏的電磁波檢測(cè)器件,從而實(shí)現(xiàn)固定角度或者波長(zhǎng)掃描的光學(xué)傳感器,對(duì)待測(cè)物質(zhì)有靈敏的檢測(cè)性能。相比于基于spw的光學(xué)傳感器,基于bsw的光學(xué)傳感器可以實(shí)現(xiàn)采用tm偏振和te偏振條件下電磁波對(duì)待測(cè)物質(zhì)性質(zhì)的檢測(cè),適用范圍更廣。附圖說(shuō)明圖1為光學(xué)傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為在可見(jiàn)光范圍內(nèi),待測(cè)物為空氣,te偏振電磁波條件下具有不同層數(shù)膜結(jié)構(gòu)光學(xué)傳感器激發(fā)bsw效果示意圖。圖3為在可見(jiàn)光范圍內(nèi),待測(cè)物為空氣,te偏振電磁波條件下,棱鏡中入射角51.87°時(shí),具有5層膜光學(xué)傳感器激發(fā)bsw對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)強(qiáng)度。圖4為在可見(jiàn)光范圍內(nèi),待測(cè)物為空氣,te偏振電磁波條件下,棱鏡中入射角51.87°時(shí),表面非金屬膜外含有石墨烯及不含有石墨烯光學(xué)傳感器的反射譜。圖5為在可見(jiàn)光范圍內(nèi),待測(cè)物為空氣,tm偏振電磁波條件下,棱鏡中入射角55.12°時(shí),非金屬膜外含有石墨烯及不含有石墨烯光學(xué)傳感器的反射譜。圖6(a)為在可見(jiàn)光范圍內(nèi),待測(cè)物為液體時(shí),固定波長(zhǎng),改變液體折射率的情況下,te偏振電磁波,隨入射角度的變化激發(fā)bsw的情況。圖6(b)為在可見(jiàn)光范圍內(nèi),待測(cè)物為液體時(shí),固定波長(zhǎng),改變液體折射率的情況下,tm偏振電磁波,隨入射角度的變化激發(fā)bsw的情況。圖7(a)為在可見(jiàn)光范圍內(nèi),待測(cè)物為液體時(shí),固定入射角度51.87°,改變液體折射率的情況下,te偏振電磁波,隨波長(zhǎng)的變化激發(fā)bsw的情況。圖7(b)為在可見(jiàn)光范圍內(nèi),待測(cè)物為液體時(shí),固定入射角度55.12°,改變液體折射率的情況下,tm偏振電磁波,隨波長(zhǎng)的變化激發(fā)bsw的情況。圖8(a)為紅外波段內(nèi),固定波長(zhǎng),改變石墨烯費(fèi)米能級(jí),te偏振電磁波,隨入射角度的變化激發(fā)bsw的情況。圖8(b)為紅外波段內(nèi),固定波長(zhǎng),改變石墨烯費(fèi)米能級(jí),tm偏振電磁波,隨入射角度的變化激發(fā)bsw的情況。圖9(a)為紅外波段內(nèi),固定角度64°,改變石墨烯費(fèi)米能級(jí),te偏振電磁波,隨波長(zhǎng)的變化激發(fā)bsw的情況。圖9(b)為紅外波段內(nèi),固定角度60°,改變石墨烯費(fèi)米能級(jí),tm偏振電磁波,隨波長(zhǎng)的變化激發(fā)bsw的情況。圖10(a)為紅外波段內(nèi),待測(cè)物為液體時(shí),固定波長(zhǎng),改變液體折射率的情況下,te偏振電磁波,隨入射角度的變化激發(fā)bsw的情況。圖10(b)為紅外波段內(nèi),待測(cè)物為液體時(shí),固定波長(zhǎng),改變液體折射率的情況下,tm偏振電磁波,隨入射角度的變化激發(fā)bsw的情況。圖11(a)為紅外波段內(nèi),待測(cè)物為液體時(shí),固定入射角度64°,改變液體折射率的情況下,te偏振電磁波,隨波長(zhǎng)的變化激發(fā)bsw的情況。圖11(b)為紅外波段內(nèi),待測(cè)物為液體時(shí),固定入射角度60°,改變液體折射率的情況下,tm偏振電磁波,隨波長(zhǎng)的變化激發(fā)bsw的情況。圖12為光學(xué)傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。圖13為石墨烯外采用一層非金屬膜的光傳感器結(jié)構(gòu),固定波長(zhǎng),在改變待測(cè)物折射率條件下,隨入射角度的變化激發(fā)bsw的情況。圖14為石墨烯外采用兩層非金屬膜的光傳感器結(jié)構(gòu),固定波長(zhǎng),在改變待測(cè)物折射率條件下,隨入射角度的變化激發(fā)bsw的情況。其中:1-棱鏡,2-非金屬膜,3-石墨烯,4-非金屬膜具體實(shí)施方式以下將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行清楚完整地描述。顯然,具體實(shí)施方式所描述的實(shí)施例僅為本發(fā)明的一部分實(shí)施例,而不是全部的實(shí)施例?;诒景l(fā)明中的實(shí)施例,本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的所有其他實(shí)施例,都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。本發(fā)明提供了一種基于bsw的光學(xué)傳感器,該光學(xué)傳感器通過(guò)多層非金屬膜配合激發(fā)bsw,并通過(guò)石墨烯吸收bsw頻率的電磁波,采用這種光學(xué)傳感器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)物質(zhì)性質(zhì)的檢測(cè)。實(shí)施例1:如圖1所示,基于bsw的光學(xué)傳感器,適用于待測(cè)物質(zhì)性能的檢測(cè),包括棱鏡1,棱鏡1表面外覆至少一層非金屬膜2,最外層非金屬膜外覆至少一層光吸收材料,本實(shí)施例中,光吸收材料采用石墨烯3。棱鏡1也可采用光柵結(jié)構(gòu)來(lái)替換。選擇棱鏡1的標(biāo)準(zhǔn)為,其折射率要大于1,并且,其折射率還要大于待測(cè)物質(zhì)。此處所述的待測(cè)物質(zhì)為氣體、液體或者固體等,即選擇棱鏡1的折射率要參考待測(cè)氣體、待測(cè)液體或者待測(cè)固體等的折射率。非金屬膜2至少包括一層,可以通過(guò)電子束蒸發(fā)、磁控濺射等工藝鍍?cè)诶忡R1的表面。若非金屬膜2有多層,相鄰兩層非金屬膜2的折射率不同,厚度可以不同也可以相同,非金屬可以采用高折射率材料或低折射率材料。也就是說(shuō),本申請(qǐng)中并不限制非金屬膜2的厚度和其折射率,也不限制非金屬選用幾層。非金屬膜2層的作用是激發(fā)bsw,對(duì)入射光電場(chǎng)起到增強(qiáng)作用,以使到達(dá)石墨烯3的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到足夠強(qiáng)。而這種效應(yīng)是可以通過(guò)改變多種非金屬膜2的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。bsw的激發(fā)與材料的損耗有很大的關(guān)系,當(dāng)介質(zhì)的損耗很小或者無(wú)損耗時(shí),激發(fā)反射譜上的共振dip深度會(huì)很小甚至消失,因此針對(duì)這種情況,我們希望觀(guān)察到明顯的共振dip,并在這方面進(jìn)行了研究。實(shí)際上所有的材料本身都是有損耗的,只是許多非金屬材料的損耗系數(shù)可以非常小,一般高折射率的材料的損耗會(huì)相對(duì)大一些,因此本專(zhuān)利中,取高折射率材料的折射率的虛部為0.0001i,該數(shù)值的選擇主要是為了比較不含石墨烯和含石墨烯的傳感器結(jié)構(gòu)激發(fā)bsw的效果。石墨烯3層的主要作用是強(qiáng)烈吸收bsw頻率的光波,單層石墨烯為呈蜂巢晶格排列的單層二維晶體。單層石墨烯薄膜厚度只有大約0.34nm,在光波垂直照射的條件下,在可見(jiàn)光和近紅外波段,其對(duì)光的吸收幾乎不隨波長(zhǎng)變化,吸收率約2.3%。在可見(jiàn)光波段,將石墨烯與非金屬或者非金屬微結(jié)構(gòu)結(jié)合,可以激發(fā)bsw,實(shí)現(xiàn)石墨烯與光的相互作用的增強(qiáng)。在紅外波至太赫茲段,在一定摻雜條件下,石墨烯具有類(lèi)金屬的物理特性,即在紅外波段的某個(gè)波長(zhǎng)開(kāi)始,至更長(zhǎng)波長(zhǎng)區(qū)域,石墨烯的介電常數(shù)的實(shí)部是負(fù)數(shù),而通過(guò)給石墨烯施加外場(chǎng),石墨烯的介電常數(shù)可以隨外場(chǎng)的變化而發(fā)生改變,即石墨烯的折射率可被改變,同樣可以激發(fā)bsw實(shí)現(xiàn)石墨烯對(duì)光波的增強(qiáng)吸收。由于石墨烯具有較大的損耗系數(shù),而在多層膜表面激發(fā)的bsw的局域電場(chǎng)強(qiáng)度可以非常大,因此將有限層石墨烯薄膜置于多層膜表面,將可以極大的增強(qiáng)石墨烯與光的相互作用,即實(shí)現(xiàn)石墨烯對(duì)bsw波長(zhǎng)光波的強(qiáng)烈吸收。在可見(jiàn)光范圍內(nèi),石墨烯得折射率表達(dá)式通常?。簄g=3.0+ic1λ/3其中c1=5.446μm-1,λ為波長(zhǎng)。在紅外至太赫茲波段范圍內(nèi),石墨烯的電導(dǎo)率表達(dá)式為:σs=σd+σi;其中:這里h(x)=sinh(x/kbt)/[cosh(ef/kbt)+cosh(x/kbt)]。e為電子電荷量,kb為玻爾茲曼常數(shù),t=300k,ef為費(fèi)米能級(jí),τ為弛豫時(shí)間。在紅外至太赫茲波段,在一定參雜條件下,石墨烯具有類(lèi)金屬的物理特性,即在紅外波段的某個(gè)波長(zhǎng)開(kāi)始,至更長(zhǎng)波長(zhǎng)區(qū)域,石墨烯的介電常數(shù)的實(shí)部是負(fù)數(shù),例如,在費(fèi)米能級(jí)ef=0.7ev時(shí),石墨烯的介電常數(shù)變化如下表:λ(μm)1.52.84.15.556.2510.721.4εr-9.543-53.496-123.173-230.893-294.067-877.547-3530.088εi0.01990.12870.40531.00121.42557.181457.4395石墨烯的以上性能說(shuō)明,外加電場(chǎng)不同,石墨烯的折射率將發(fā)生變化,即其對(duì)光的吸收性能將發(fā)生變化。在進(jìn)行光學(xué)傳感器的設(shè)計(jì)時(shí),可以通過(guò)理論分析和數(shù)值計(jì)算,針對(duì)采用不同層數(shù)的非金屬膜,獲取最佳的bsw激發(fā)效果,以實(shí)現(xiàn)最佳的光學(xué)傳感檢測(cè)。根據(jù)非金屬膜2的層數(shù),改變各層非金屬膜的厚度及折射率,使在最靠近石墨烯的一層非金屬膜處獲得獲得bsw激發(fā)效果。也就是說(shuō),在采用1層非金屬膜2時(shí),和采用多層非金屬膜2時(shí),每層膜所選用材料的厚度可以是不同的,另外,相鄰材料的折射率是不同的,每種膜結(jié)構(gòu)的組合都可以實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)的bsw激發(fā)效果。配合改變待測(cè)光的入射角度,使在最靠近石墨烯的一層非金屬膜處獲得bsw激發(fā)效果。特別的,在進(jìn)行紅外至太赫茲波段光檢測(cè)時(shí),可以改變石墨烯的費(fèi)米能級(jí),使在最靠近石墨烯的一層非金屬膜處獲得bsw激發(fā)效果。以下將結(jié)合具體的膜及石墨烯的配合結(jié)構(gòu)來(lái)描述光傳感器的結(jié)構(gòu)。光傳感器的結(jié)構(gòu)為:prism/a1a2a3…an/g/待測(cè)物質(zhì),其中a1a2a3…an為不同折射率非金屬材料組成的多層膜。n的最小取值為1,g為石墨烯,石墨烯的層數(shù)最小為1。1、可見(jiàn)光波段bsw的激發(fā)為研究不同層膜對(duì)bsw效應(yīng)的影響,研究在棱鏡上放置不同層數(shù)的多層膜時(shí),棱鏡激發(fā)布洛赫表面波(bsw)的性能。本實(shí)施例采用np=1.75的棱鏡。以te偏振形式的電磁波入射為例。第一種光傳感器結(jié)構(gòu):采用一層非金屬膜2a1,其折射率為n1=2.123+0.0001i,厚度為584nm。第二種光傳感器結(jié)構(gòu):采用兩層非金屬膜2a1、a2,其中a1取高折射率材料,折射率為n1=2.123+0.0001i,厚度為228nm,a2取低折射率材料,n2=1.431,厚度為386nm。第三種光傳感器結(jié)構(gòu):采用三層非金屬膜2為a1、a2、a3,a1、a3取高折射率材料,a1的折射率為n1=2.123+0.0001i,a3的折射率n3=2.125+0.0001i,a1、a3的厚度分別為120nm、50nm,a2取低折射率材料,厚度為187nm。第四種光傳感器結(jié)構(gòu):采用四層非金屬膜2為a1、a2、a3、a4,a1、a3取高折射率材料,a1的折射率為n1=2.123+0.0001i,a3的折射率n3=2.125+0.0001i,厚度為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,厚度分別為180nm、30nm。第五種光傳感器結(jié)構(gòu):采用五層非金屬膜2為a1、a2、a3、a4、a5,其中a1、a3、a5取高折射率材料,a1的折射率為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,厚度分別為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,厚度分別為分別為174.7nm、164.9nm??諝庾鳛榇郎y(cè)物質(zhì),采用上述五種結(jié)構(gòu)的光傳感器進(jìn)行的理論結(jié)果,如圖2所示,采用不同層數(shù)的非金屬膜2,非金屬膜可以采用高折射率或低折射率,膜層厚度可以調(diào)整組合,與石墨烯3層相鄰的可以為高折射率材料或低折射率材料,均可以激發(fā)bsw。是否可以很好的激發(fā)bsw,主要看多層膜配合是否可以在多層膜的表面形成足夠強(qiáng)的電場(chǎng)。具體以5層非金屬膜2搭配一層石墨烯3的結(jié)構(gòu)為例,5層膜的厚度及材料折射率的選擇如上文所述。石墨烯3處激發(fā)電場(chǎng)的強(qiáng)度如圖3所示。可見(jiàn),當(dāng)bsw波長(zhǎng)的電磁波在石墨烯3層內(nèi)有很大的電場(chǎng)強(qiáng)度,如果石墨烯3外的待測(cè)物質(zhì)的折射率發(fā)生改變,將會(huì)影響bsw波長(zhǎng)的電磁波在石墨烯3內(nèi)的電場(chǎng)分布,因此會(huì)使激發(fā)bsw的角度和波長(zhǎng)發(fā)生偏移,因此,利用這樣的特性,本專(zhuān)利中的結(jié)構(gòu)可以用來(lái)設(shè)計(jì)光學(xué)傳感器件。為研究石墨烯3層對(duì)光學(xué)傳感器性能的影響,進(jìn)一步以含有石墨烯3層和不含有石墨烯3層的結(jié)構(gòu)的結(jié)果來(lái)進(jìn)行比較。取結(jié)構(gòu)prism/mf/air和prism/mf/g/air,即光學(xué)傳感器的結(jié)構(gòu)分別為棱鏡/多層膜/空氣和棱鏡/多層膜/石墨烯/空氣,mf表示多層膜,石墨烯均為單層,分析其中的bsw,采用te偏振波,結(jié)果如圖4所示。圖4中給出te偏振條件下,多層膜表面不存在單層石墨烯和包含單層石墨烯以及不考慮材料的損耗或者損耗很小時(shí)的反射譜圖,其中棱鏡中的入射角為θ=51.87°。對(duì)結(jié)構(gòu)prism/mf/air,圖4中的實(shí)線(xiàn)和虛線(xiàn)分別表示高折射率材料不考慮和考慮弱吸收條件下的反射譜;對(duì)結(jié)構(gòu)prism/mf/g/air,圖4中的點(diǎn)線(xiàn)和虛點(diǎn)線(xiàn)分別表示高折射率材料不考慮和考慮弱吸收條件下的反射譜??梢钥闯?,光波含石墨烯的結(jié)構(gòu)的光傳感器對(duì)bsw頻率的波實(shí)現(xiàn)了近完全吸收。由圖4中可以看出,當(dāng)多層膜表面沒(méi)有石墨烯時(shí),不考慮損耗時(shí),在反射譜中將看不到bsw,而所有的材料本身都是有損耗的,只是許多材料的損耗系數(shù)可以非常小,因此為了確定bsw的存在,給定高折射率材料an(其中n=1,3,5)一個(gè)非常小的損耗系數(shù),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,在反射譜中可以看到也可以激發(fā)bsw。這是由于bsw在多層膜的最外層與外面的均勻介質(zhì)的交界面上存在很強(qiáng)的局域電場(chǎng),使得損耗材料對(duì)bsw頻率的光波的吸收被大大增強(qiáng)。當(dāng)多層膜表面放置了石墨烯時(shí),由于石墨烯具有比an材料大很多的損耗系數(shù),因此可以實(shí)現(xiàn)對(duì)激發(fā)的bsw頻率光波的完全吸收,因此含石墨烯的結(jié)構(gòu)的品質(zhì)因子比沒(méi)有石墨烯的結(jié)構(gòu)要大很多,因?yàn)闄z測(cè)靈敏度跟品質(zhì)因子有正比關(guān)系,因此含石墨烯的結(jié)構(gòu)的檢測(cè)靈敏度要高很多。另外,也可以看出,多層膜結(jié)構(gòu)中是否考慮材料本身的損耗,對(duì)含石墨烯結(jié)構(gòu)的靈敏度影響很小。以上結(jié)果表明,石墨烯3層的主要作用是強(qiáng)烈吸收特定頻率的光波,非金屬膜2的作用是激發(fā)bsw。缺少石墨烯3層,仍可以激發(fā)bsw,但是結(jié)構(gòu)的靈敏度很小,二者配合以實(shí)現(xiàn)高靈敏的光傳感檢測(cè)。傳統(tǒng)的基于spw的光傳感器僅可以在tm偏振電磁波條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)物質(zhì)性質(zhì)的檢測(cè)。而本實(shí)施例提供的光傳感器的結(jié)構(gòu)可以在te偏振和tm偏振電磁波的兩種條件下,對(duì)待測(cè)物質(zhì)的性質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)。采用本發(fā)明的光學(xué)傳感器,以tm偏振電磁波入射的結(jié)果為例。圖5中給出對(duì)tm偏振的電磁波,多層非金屬膜2表面不存在單層石墨烯3和包含單層石墨烯3以及不考慮材料的損耗和損耗很小時(shí)的反射譜圖,其中棱鏡1中的入射角為θ=55.12°。同理,我們可以看出在多層膜表面放置石墨烯時(shí),能夠激發(fā)出更明顯的bsw。對(duì)結(jié)構(gòu)prism/mf/air,圖5中的實(shí)線(xiàn)和虛線(xiàn)分別表示高折射率材料不考慮和考慮弱吸收條件下的反射譜;對(duì)結(jié)構(gòu)prism/mf/g/air,圖5中的點(diǎn)線(xiàn)和虛點(diǎn)線(xiàn)分別表示高折射率材料不考慮和考慮弱吸收條件下的反射譜。將被測(cè)物質(zhì)由空氣換成液體,利用改變液體的濃度可改變液體折射率的特性進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)此,我們可以根據(jù)bsw的波長(zhǎng)或者角度的變化來(lái)檢測(cè)液體的濃度,在這里,我們考慮某種液體的折射率從n=1.331變化到n=1.336,間隔為0.001。圖6(a)和(b)分別給出了對(duì)te和tm偏振的電磁波,在固定波長(zhǎng)λ=550nm時(shí),將結(jié)構(gòu)中的空氣換成液體后,通過(guò)改變液體的折射率,觀(guān)察激發(fā)bsw角度的變化范圍。圖7(a)和(b)中分別對(duì)應(yīng)的是固定入射角度分別為θ=51.87°和θ=55.12°時(shí),bsw對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的變化圖。從圖中可以看到,隨著液體折射率的增加,即對(duì)應(yīng)液體濃度的增加,激發(fā)出的bsw向大角度和長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng),實(shí)現(xiàn)了在可見(jiàn)光波段傳感器的高敏感測(cè)量。2、紅外至太赫茲波段bsw的激發(fā)不改變結(jié)構(gòu),只改變結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的厚度參數(shù),相應(yīng)的,石墨烯的參數(shù)應(yīng)該采用在紅外至太赫茲波段的模型。先固定波長(zhǎng)λ=5500nm,通過(guò)改變費(fèi)米能級(jí)觀(guān)察角度的變化。在te偏振條件下,和在可見(jiàn)光波段的材料相同,多層非金屬膜2的層數(shù)也為5層,各層膜中高折射率材料的厚度分別為1400nm、1397nm、720nm;低折射率材料的厚度分別為2145nm、2137nm。在tm偏振條件下,和在可見(jiàn)光波段的材料相同,多層非金屬膜2的層數(shù)也為7層,各層膜中高折射率材料的厚度分別為1549nm、1538nm、1529nm、1138nm,折射率材料的厚度分別為2355nm、2343nm、2332nm。其次,我們固定角度,通過(guò)改變費(fèi)米能級(jí)觀(guān)察波長(zhǎng)范圍的變化。在te偏振條件下θ=64°,tm偏振條件下θ=60°,在這里使用的材料及厚度等參數(shù)與固定波長(zhǎng)時(shí)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)中所采用的參數(shù)相同。圖8(a)和(b)分別給出了te和tm偏振的電磁波,在固定波長(zhǎng)λ=5500nm時(shí),通過(guò)改變石墨烯的費(fèi)米能級(jí)(ef變化范圍為0.1~0.7ev),激發(fā)bsw的入射角度的變化??梢钥吹诫S著費(fèi)米能級(jí)的增大,激發(fā)bsw的角度的偏移也隨之減小??梢钥吹皆趖m偏振條件下,激發(fā)bsw的角度的變化更敏感。圖9(a)和(b)分別給出了te和tm偏振的電磁波,在固定角度分別為θ=64°和θ=60°時(shí),通過(guò)改變石墨烯的費(fèi)米能級(jí)(ef變化范圍為0.1~0.7ev),激發(fā)布洛赫表面波波長(zhǎng)的變化??梢钥吹?,隨著費(fèi)米能級(jí)的增大,激發(fā)bsw的波長(zhǎng)的偏移也隨之減小。同樣地,在紅外至太赫茲波段,我們也將結(jié)構(gòu)中的空氣替換成某濃度的液體,在這里,我們固定費(fèi)米能級(jí)ef=0.7ev,各層膜的參數(shù)不變,液體的折射率從n=1.331變化到n=1.336,間隔為0.001,觀(guān)察固定某一波長(zhǎng)(5500nm)角度的變化和某一角度(te偏振的電磁波角度取為64°,tm偏振的電磁波角度取為60°)下波長(zhǎng)的變化。圖10(a)和(b)分別給出了紅外波段在te和tm偏振的電磁波條件下,在固定波長(zhǎng)λ=5500nm時(shí),將結(jié)構(gòu)中的空氣換成液體后,通過(guò)改變液體的折射率,觀(guān)察激發(fā)bsw的角度的變化。圖11(a)和(b)分別給出te和tm偏振的電磁波條件下,固定角度分別為θ=64°和θ=60°時(shí),波長(zhǎng)的變化。從圖中可以看到,隨著液體濃度的增加,也即是液體折射率的增加,激發(fā)的bsw向大角度和長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)。通過(guò)bsw的波長(zhǎng)或者角度的靈敏變化實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)物質(zhì)性質(zhì)的檢測(cè)。通過(guò)以上結(jié)果,說(shuō)明利用本專(zhuān)利的結(jié)構(gòu),可以實(shí)現(xiàn)在傳感器測(cè)試中對(duì)某一角度或者某一波長(zhǎng)下對(duì)待測(cè)物質(zhì)性質(zhì)的靈敏檢測(cè)。在本次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,激發(fā)bsw使用的棱鏡為半圓柱棱鏡,除此之外還有三棱柱型的棱鏡,也可以通過(guò)將棱鏡換成光柵來(lái)激發(fā)bsw,在這里我們僅以半圓柱型的棱鏡作為例子來(lái)進(jìn)行講述,另外,增加石墨烯3的層數(shù),比如增加至2層、3層、4層等,同樣可以實(shí)現(xiàn)靈敏的檢測(cè)。實(shí)施例3進(jìn)一步提供一種在棱鏡1與石墨烯3層之間涂覆多層非金屬膜2,石墨烯3層外覆非金屬膜4的光傳感器結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)如圖11所示,非金屬膜4同樣可以為一層或多層,若為多層,相鄰兩層非金屬膜4的折射率不同,厚度可以相同或不同,同樣可以采用高折射率材料或低折射率材料,非金屬多層膜的層數(shù)和厚度可以根據(jù)激發(fā)bsw的效果需求進(jìn)行設(shè)計(jì)。非金屬膜4將石墨烯層3置入結(jié)構(gòu)內(nèi)部,有保護(hù)和使結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定的作用。在結(jié)構(gòu)“prism/a1a2a3…an/g/b1b2b3…bm/待測(cè)物質(zhì)”中,在可見(jiàn)光范圍內(nèi),以tm偏振的電磁波為例,其中在石墨烯3層與棱鏡1之間多層非金屬膜2的層數(shù)為7,在石墨烯3層后多層非金屬膜4的層數(shù)分別為1層和2層時(shí),通過(guò)固定波長(zhǎng)λ=550nm,改變待測(cè)液體的折射率,觀(guān)察激發(fā)出的bsw的角度的變化。第一種實(shí)施結(jié)構(gòu),石墨烯3層后放置一層高折射率材料,即含有一層非金屬膜4,所使用的參數(shù)為: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的厚度分別為141.3nm、209.6nm、137.8nm、201.8nm、126.9nm、189.3nm、97nm。b1為高折射率材料,nb1=2.131+0.0001i,厚度為10nm。圖12所示為固定波長(zhǎng),改變液體折射率,激發(fā)bsw的入射角度的變化情況。另一種實(shí)施結(jié)構(gòu),在石墨烯3層后放置兩層材料,在石墨烯3層與棱鏡層之間的材料所使用的參數(shù)與圖13中所用參數(shù)相同,石墨烯層3后放置多層膜材料為b1、b2,其中b1為高折射率材料,nb1=2.131+0.0001i,厚度為10nm,b2為低折射率材料,nb2=1.437,厚度為15nm。圖14中固定波長(zhǎng),改變待測(cè)液體折射率,激發(fā)的bsw的入射角度的變化情況。由圖13和圖14可見(jiàn),在采用固定的膜結(jié)構(gòu)時(shí),當(dāng)待測(cè)液體的折射率發(fā)生改變,可通過(guò)調(diào)整光波的入射角度,來(lái)獲得最佳的bsw激發(fā)效果。當(dāng)前第1頁(yè)12