[发明专利]一种基于古斯汉欣位移的探测器灵敏度系数调谐方法

说明书

本发明公开了一种基于古斯汉欣位移的探测器灵敏度系数调谐方法，该发明属于测量技术领域。其特征在于，在被探测介质的表面覆盖一层均匀的石墨烯，构成介质‑石墨烯涂层结构的探测器，通过调节石墨烯费米能级，来实现对该结构表面发生的古斯汉欣位移的调控。由于古斯汉欣位移与探测器灵敏度系数密切相关，从而可以调节该探测器结构中的费米能级来实现对探测器灵敏度系数的动态调谐。本发明的调谐方法与现有的方法相比结构简单、可应用于高灵敏度的传感器。

技术领域

本发明涉及灵敏度系数调谐方法，特别涉及一种基于古斯汉欣位移的探测器灵敏度系数调谐方法。

背景技术

古斯汉欣位移(Goos-Hanchen shift)是指当光束在两种不同介质的交界面发生全反射时，反射光束在入射平面内相对于几何光学路径有一个纵向的偏移。目前，基于古斯汉欣光束位移的传感器已经得到广泛的应用，例如，表面等离子体传感器、瞬态平板波导传感器、高灵敏度的温度传感器、振荡波位移传感器、生物传感器等。

2008年，Hosten和Kwiat利用弱测量方法有效地测量出光束位移的初始横移值，这为光束位移在测量技术领域的应用提供了可能。经过对现有技术的文献检索发现，AllenD.Parks等人申请的“surface plasmon resonance biosensor”专利中(专利号:US2014/0333930A1)，构建了一种表面等离子体生物传感器。该传感器的探测器由棱镜-金属-液体介质构成，通过弱测量技术放大和探测被测介质折射率变化所引起的微弱古斯汉欣位移，从而确定相应的分子浓度。但是上述传感器中的探测器结构参数是固定的，无法实现对探测器灵敏度系数的动态调控。

发明内容

本发明提出一种基于古斯汉欣位移的探测器灵敏度系数调谐方法，通过改变石墨烯的费米能级来动态调谐该探测器灵敏度系数。该方法的结构简单，成本较低，具有灵敏度系数高且动态可调的特点，可应用于高灵敏度的传感器中。

下面阐述本发明的技术解决方案。

一种灵敏度系数调谐方法，其特征是在被测介质的表面覆盖一层石墨烯，构成介质-石墨烯涂层结构的探测器。通过动态调节石墨烯费米能级，来调控其电导率及其菲涅尔反射系数，进而控制该结构表面发生的古斯汉欣位移。根据探测器灵敏度系数与古斯汉欣位移的关系，可以实现对探测器灵敏度系数的动态调节并且提高灵敏度系数。

上述灵敏度系数调谐方法，所述石墨烯费米能级E_f可以调控石墨烯电导率σ，如下公式所示：

式中，石墨烯费米能级可以通过外部栅极电压或者化学掺杂影响载流子密度n_2D来动态调控。为普朗克常量，step()是阶跃函数，为电子弛豫时间，流动性μ＝10⁴cm²Vs^-1，费米速度v_f＝10⁶ms^-1，e是电子电荷常数，ω是入射光束的角频率。

上述灵敏度系数调谐方法，所述菲涅尔反射系数与石墨烯电导率σ的表达式为：

式中，r_s和r_p分别表示s或p偏振光的菲涅尔反射系数，ε₀为真空的介电常数，c表示光速，n₀表示空气的折射率，n表示被测介质的折射率，k₀为空气中的波矢，k_oz＝k₀cosθ，θ表示入射角。

上述灵敏度系数调谐方法，所述古斯汉欣位移GH_A与菲涅尔反射系数的表达式为：