[发明专利]电场驱动氧化石墨烯电子转移产生光脉冲的方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及光脉冲技术，具体为一种电场驱动氧化石墨烯电子转移产生光脉冲的方法及装置。

背景技术

光脉冲在医学、通信、军事以及光谱分析中都有极为广泛的应用。通常采用外部调制产生光脉冲的方法大致有以下几种：机械斩光、声光调制器以及相位调制器等电光器件的强度调制。这些方法产生光脉冲的特点都是光脉冲直接受到外部调制信号的限制，只能呈现与调制信号一致的脉冲波形，无法实现在外部调制信号上升或下降的过程中产生光脉冲。这无法满足时间分辨光谱、三维光学成像与光信息处理等领域需要在外部方波电场调制信号的上升或下降过程中产生光脉冲的技术要求。

发明内容

本发明为解决目前光脉冲发生装置无法实现在电场控制信号的上升沿以及下降沿产生光脉冲的技术问题，提供一种电场驱动氧化石墨烯电子转移产生光脉冲的方法及装置。

本发明所述的电场驱动氧化石墨烯电子转移产生光脉冲的方法是采用以下技术方案实现的：一种电场驱动氧化石墨烯电子转移产生光脉冲的方法，包括以下步骤：（a）在制备好的氧化石墨烯样品的两端加载经过方波信号调制的电压；所述电压的最高电场强度范围为150V/mm~400V/mm；（b）采用连续激光聚焦于氧化石墨烯样品表面，氧化石墨烯样品在聚焦激光的激发下发射荧光；收集样品不同位置发射的荧光，并将荧光的光强信号转换成相应的电信号，确定氧化石墨烯样品各个位置发射的荧光与所施加方波电压的关系，记录样品上能够产生同频响应或倍频响应的位置信息；所述的同频响应是指样品上受激发射的荧光脉冲强度随方波电压的下降沿突然增强的现象；所述的倍频响应是指样品上受激发射的荧光脉冲强度随方波电压的下降沿和上升沿均突然增强的现象；（c）采用连续激光分别激发这些位置，就获得了随外部调制方波的下降沿突然增强或随上升沿及下降沿突然增强的荧光脉冲。

氧化石墨烯（graphene oxide）是石墨烯一种重要的衍生物，主要通过化学方法剥离石墨获得。与石墨烯相比，氧化石墨烯不但具有平面结构，而且含有较多的含氧功能基团，这使得氧化石墨烯能够分散到各种溶剂中，极大扩展了氧化石墨烯在材料、化学剂传感器领域的应用范围；氧化石墨烯自身具有荧光性质，能够在外部激光的激发下发射波长为500nm—700nm的荧光，因此可以制备荧光探针，构建荧光传感器。氧化石墨烯呈单原子层石墨平面结构，平面上存在含氧功能基团，因此氧化石墨烯分子结构中既有碳原子形成的sp2轨道又有氧原子形成的sp3轨道；位于sp2轨道和sp3轨道上的电子在连续激光的激发下会向低能级轨道跃迁，跃迁过程中会发射特定波长的荧光；但是由于位于sp3轨道上的大量电子受到氧原子的较强的束缚，迁移率较低，在激光的激发下仅能发射微弱的荧光，其强度要远小于电子由sp2轨道跃迁所发射的荧光强度。我们研究发现在氧化石墨烯样品的两端加上具有方波特性的电压后，氧化石墨烯就会发射具有同频响应或倍频响应特性的荧光脉冲。如图4与图5所示，在氧化石墨烯表面的一些特殊位置sp2轨道与sp3轨道相距很近，电子受到电场作用力F以及氧化石墨烯内部作用力f的共同作用。在电场作用下，电子运动由sp3轨道转移至sp2轨道后，使得从sp2轨道向低能级轨道跃迁的电子数显著增加，从而使荧光突然增强。由于电子运动轨道的确定性结构使得只有在特定电压作用下（即电压的电场强度在150V/mm~400V/mm范围内）电子才能够由sp3轨道转移至sp2轨道，因此在方波电场作用下在上升沿或下降沿产生光脉冲。如图4为倍频响应产生的原理图。当电子受到电场作用力F的方向与电子受到的氧化石墨烯内部作用力f的方向在同一条直线上且方向相反时，此时当施加电场（F≠0）时，电子由sp3轨道转移到sp2使荧光强度突然增强（图中上部的两个弯曲箭头所示），即荧光强度随方波的上升沿突然增强；当撤掉电场（F=0）时，电子反向运动到sp2使荧光强度突然增强，即荧光脉冲的强度随方波的下降沿突然增强（图中下部两个弯曲箭头所示）；由于电场作用与撤销后电子运动轨迹一致，即都经由sp3轨道转移到sp2轨道，从而随外部调制方波的上升沿及下降沿产生荧光脉冲，形成了倍频光脉冲。如图5所示为同频响应的原理图，此时位于sp3轨道上的电子受到电场作用力F的方向与电子受到的氧化石墨烯内部的吸引力f的方向不在同一条直线上，二者的合力决定了电子轨道的变化。在撤掉电场（F=0）时，电子只受到氧化石墨烯内部作用力f的作用。由于电场作用下与电场撤销后电子运动轨迹不一致，当仅在撤销电场后电子才能够经由sp3轨道转移到sp2轨道（图中下部两个弯曲箭头所示），那么仅在方波电场的下降沿出现光脉冲，从而形成同频光脉冲。