本發(fā)明屬于太赫茲波技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種利用石墨烯太赫茲表面等離子效應(yīng)的酒精濃度測量裝置。

背景技術(shù)：

太赫茲(Terahertz or THz)波通常是指頻率在0.1～10THz區(qū)間的電磁波，其光子的能量約為1～10meV，正好與分子振動及轉(zhuǎn)動能級之間躍遷的能量大致相當(dāng)。大多數(shù)極性分子如水分子、氨分子等對THz輻射有強烈的吸收，許多有機大分子(DNA、蛋白質(zhì)等)的振動能級和轉(zhuǎn)動能級之間的躍遷也正好在THz波段范圍。因此，物質(zhì)的THz光譜(包括發(fā)射、反射和透射光譜)包含有豐富的物理質(zhì)和化學(xué)信息，其吸收和色散特性可以用來做爆炸物、藥物等化學(xué)及生物樣品的探測和識別，在物理學(xué)、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、天文學(xué)、材料科學(xué)和環(huán)境科學(xué)等方面具有重要的應(yīng)用價值。

石墨烯是一種只有單層碳原子厚度的六邊蜂巢形狀的二維材料，自2004年發(fā)現(xiàn)以來，越來越受人們重視，具有極其廣泛的應(yīng)用前景。石墨烯是世界上強度最高的材料(200倍于鋼)，有很高的導(dǎo)熱(5300W/mK)和導(dǎo)電性(50Ω/cm)，有極高的比表面積(2630m²/g)，有高彈性高硬度(130GPa)。石墨烯的化學(xué)反應(yīng)性強，容易與其他化學(xué)物質(zhì)反應(yīng)形成化合物，還能承受電離輻射，同時很輕盈，具有類似于碳纖維的韌性，而焦耳效應(yīng)比碳纖維更小。石墨烯在THz波段可以很好的支持表面等離子激元，在傳感、通信等方面有許多潛在的應(yīng)用。

溶液濃度是一個重要物理量,在化工、冶金、造紙、釀酒、制糖、環(huán)保行業(yè)及科研等領(lǐng)域都常常需要對溶液濃度進行測量。其中特別是酒精類飲品是國家控制產(chǎn)品,對其中的乙醇含量有嚴(yán)格規(guī)定?？焖贉?zhǔn)確地測定飲品中乙醇含量在食品工業(yè)質(zhì)量控制中十分重要。由于溶液的折射率與吸收率等光學(xué)參數(shù)與其濃度和溫度直接相關(guān)因此通過測量溶液的光學(xué)參數(shù)來測量溶液濃度是常用的方法之一，例如光纖傳感器、紅外及拉曼譜測量法等等。同膜分離結(jié)合酶法等電化學(xué)學(xué)方法相比,這類具有測量速度快,精度高,尤其適合易燃易爆等場所測量。近紅外、中紅外及拉曼光譜已經(jīng)應(yīng)用于飲品中乙醇含量的測量，但在測量方法建立初期,需要完成大批量實驗以建立起化學(xué)計量模型。而且模型多以光強度信號或與強度直接相關(guān)的量的變化實現(xiàn)被測量的感知,對光源的穩(wěn)定性要求極高,而且計算復(fù)雜。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是克服現(xiàn)有電化學(xué)法和光譜法測量飲品中酒精濃度的不足，提供一種利用石墨烯太赫茲表面等離子效應(yīng)的酒精濃度測量裝置。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

本發(fā)明公開了一種利用石墨烯太赫茲表面等離子效應(yīng)的酒精濃度測量裝置，包括高阻硅三角棱鏡(1)、第一二氧化硅薄膜(2)、單層石墨烯(3)、第二二氧化硅薄膜(4)、待測酒精溶液(5)、高阻硅襯底(6)、飛秒激光器(7)、斬波器(8)、分束器(9)、光電導(dǎo)天線(10)、第一拋面鏡(11)、第一聚四氟乙烯透鏡(12)、第二聚四氟乙烯透鏡(13)、第二拋面鏡(14)、薄膜分束鏡(15)、ZnTe晶體(16)、四分之一波片(17)、沃拉斯頓棱鏡(18)、光電平衡探測器(19)、鎖相放大器(20)、計算機(21)、第一反射鏡(22)、延遲線(23)、第二反射鏡(24)；

飛秒激光器(7)產(chǎn)生的飛秒激光脈沖光路上順次設(shè)有斬波器(8)、分束器(9)，分束器(9)將飛秒激光脈沖光分為較強的泵浦光和較弱的探測光；泵浦光光路上設(shè)有光電導(dǎo)天線(10)，光導(dǎo)天線(10)激發(fā)的太赫茲波順次經(jīng)過第一拋面鏡(11)、第一聚四氟乙烯透鏡(12)，經(jīng)第一聚四氟乙烯透鏡(12)聚焦后的太赫茲波入射到高阻硅棱鏡(1)一側(cè)表面上，在透射到第一二氧化硅薄膜(2)、單層石墨烯(3)、第二二氧化硅薄膜(4)、待測酒精溶液(5)、再經(jīng)高阻硅片(6)的上表面反射返回到高阻硅三角棱鏡(1)，太赫茲波出射高阻硅三角棱鏡(1)后順次經(jīng)過第二聚四氟乙烯透鏡(13)、第二拋面鏡(14)、薄膜分束鏡(15)；探測光光路上順次設(shè)有第一反射鏡(22)、延遲線(23)、第二反射鏡(24)、薄膜分束鏡(15)；

太赫茲波透過薄膜分束鏡(15)到達(dá)ZnTe晶體(16)，與被薄膜分束鏡(15)反射的探測光匯合，再透過ZnTe晶體(16)、四分之一波片(17)、沃拉斯頓棱鏡(18)后被光電平衡探測器(19)探測；光電平衡探測器(19)、鎖相放大器(20)、計算機(21)順次相連。

待測酒精濃度測量步驟如下：

1)在高阻硅襯底(6)和第二二氧化硅薄膜(4)之間放置未知濃度的待測酒精溶液(5)；

2)飛秒激光器(7)產(chǎn)生飛秒激光脈沖光源，經(jīng)過斬波器(8)，被分束器(9)分為較強的泵浦光和較弱的探測光，泵浦光射向光電導(dǎo)天線(10)激發(fā)THz脈沖，THz脈沖經(jīng)過經(jīng)第一拋面鏡(11)準(zhǔn)直，再經(jīng)第一聚四氟乙烯透鏡(12)聚焦入射到高阻硅三角棱鏡(1)一側(cè)表面上，在透射到第一二氧化硅薄膜(2)、單層石墨烯(3)、第二二氧化硅薄膜(4)、待測酒精溶液(5)、再經(jīng)高阻硅片(6)的上表面反射返回到高阻硅三角棱鏡(1)，太赫茲波出射棱鏡后被第二聚四氟乙烯透鏡(13)準(zhǔn)直后，被第二拋面鏡(14)聚焦，并透過薄膜分束鏡(15)到達(dá)ZnTe晶體(16)，與經(jīng)過第一反射鏡(22)、延遲線(23)和第二反射鏡(24)并被薄膜分束鏡(15)反射的探測光匯合，探測光透過ZnTe晶體(16)、四分之一波片(17)、沃拉斯頓棱鏡(18)后被光電平衡探測器(19)探測，所測電信號被鎖相放大器放大后送入計算機(21)得到太赫茲脈沖的時域波形，經(jīng)過傅里葉變換后得到反射系數(shù)的頻率變化曲線；

3)光導(dǎo)天線激發(fā)的太赫茲波脈沖在0.1～2.5THz范圍，頻率間隔小于1GHz，被光電平衡探測器探測得太赫茲脈沖的時域波形經(jīng)過傅里葉變換后得到棱鏡反射系數(shù)的頻率變化曲線；

4)根據(jù)未知濃度的待測酒精溶液測得的太赫茲反射系數(shù)曲線,計算諧振峰位置并代入由標(biāo)準(zhǔn)溶度-諧振峰測量校正曲線得到待測酒精溶液的精確濃度。

標(biāo)準(zhǔn)溶度-諧振峰測量校正曲線通過如下步驟得到：

1)在高阻硅襯底和第二二氧化硅薄膜之間分別放置純水、5％、10％、15％、20％、25％、30％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％、100％的標(biāo)準(zhǔn)酒精溶液；

2)光導(dǎo)天線激發(fā)的太赫茲波脈沖在0.1～2.5THz范圍，頻率間隔小于1GHz，被光電平衡探測器探測到的太赫茲脈沖的時域波形經(jīng)過傅里葉變換后得到棱鏡反射系數(shù)的頻率變化曲線；

3)在測量所有標(biāo)準(zhǔn)溶液的太赫茲反射系數(shù)曲線后，計算諧振峰位置并與溶液濃度數(shù)據(jù)一起建立標(biāo)準(zhǔn)溶度-諧振峰測量校正曲線,從純水到純酒精變化過程中，反射系數(shù)曲線上的諧振峰移動能達(dá)800GHz以上，使得測量酒精濃度精度達(dá)到0.2％以上。

本裝置中的高阻硅棱鏡下表面依次布置二氧化硅薄膜、單層石墨烯、二氧化硅薄膜、待測酒精溶液和高阻硅襯底。太赫茲時域譜裝置測量被硅棱鏡反射的太赫茲脈沖信號，經(jīng)過傅里葉變換后可得到頻率-反射系數(shù)曲線。石墨烯太赫茲表面等離子效應(yīng)可在頻率-反射系數(shù)曲線上產(chǎn)生諧振峰，該諧振峰隨酒精濃度變化移動。太赫茲時域譜分辨率小于1GHz，本測量裝置中待測溶液從純水到純酒精變化時反射系數(shù)曲線的諧振峰移動大于800GHz，使得該測量裝置測量酒精濃度的精度達(dá)到千分之二以上。

附圖說明

圖1本發(fā)明利用石墨烯太赫茲表面等離子效應(yīng)的酒精濃度測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2測量純水、20％、40％、60％、80％、100％的標(biāo)準(zhǔn)酒精溶液時的太赫茲波反射系數(shù)曲線；

圖3測量純水、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％的標(biāo)準(zhǔn)酒精溶液時的反射系數(shù)曲線中諧振頻率及其擬合曲線。

圖中：高阻硅三角棱鏡1、第一二氧化硅薄膜2、單層石墨烯3、第二二氧化硅薄膜4、待測酒精溶液5、高阻硅襯底6、飛秒激光器7、斬波器8、分束器9、光電導(dǎo)天線10、第一拋面鏡11、第一聚四氟乙烯透鏡12、第二聚四氟乙烯透鏡13、第二拋面鏡14、薄膜分束鏡15、ZnTe晶體16、四分之一波片17、沃拉斯頓棱鏡18、光電平衡探測器19、鎖相放大器20、計算機21、第一反射鏡22、延遲線23、第二反射鏡24；

具體實施方式

如圖1所示，利用石墨烯太赫茲表面等離子效應(yīng)的酒精濃度測量裝置，包括高阻硅三角棱鏡1、第一二氧化硅薄膜2、單層石墨烯3、第二二氧化硅薄膜4、待測酒精溶液5、高阻硅襯底6、飛秒激光器7、斬波器8、分束器9、光電導(dǎo)天線10、第一拋面鏡11、第一聚四氟乙烯透鏡12、第二聚四氟乙烯透鏡13、第二拋面鏡14、薄膜分束鏡15、ZnTe晶體16、四分之一波片17、沃拉斯頓棱鏡18、光電平衡探測器19、鎖相放大器20、計算機21、第一反射鏡22、延遲線23、第二反射鏡24；

飛秒激光器7產(chǎn)生的飛秒激光脈沖光路上順次設(shè)有斬波器8、分束器9，分束器9將飛秒激光脈沖光分為較強的泵浦光和較弱的探測光；泵浦光光路上設(shè)有光電導(dǎo)天線10，光導(dǎo)天線10激發(fā)的太赫茲波順次經(jīng)過第一拋面鏡11、第一聚四氟乙烯透鏡12，經(jīng)第一聚四氟乙烯透鏡12聚焦后的太赫茲波入射到高阻硅三角棱鏡1一側(cè)表面上，在透射到第一二氧化硅薄膜2、單層石墨烯3、第二二氧化硅薄膜4、待測酒精溶液5、再經(jīng)高阻硅片6的上表面反射返回到高阻硅三角棱鏡1，太赫茲波出射高阻硅三角棱鏡1后順次經(jīng)過第二聚四氟乙烯透鏡13、第二拋面鏡14、薄膜分束鏡15；探測光光路上順次設(shè)有第一反射鏡22、延遲線23、第二反射鏡24、薄膜分束鏡15；

太赫茲波透過薄膜分束鏡15到達(dá)ZnTe晶體16，與被薄膜分束鏡15反射的探測光匯合，再透過ZnTe晶體16、四分之一波片17、沃拉斯頓棱鏡18后被光電平衡探測器19探測；光電平衡探測器19、鎖相放大器20、計算機21順次相連。

測量步驟如下：

1)在高阻硅襯底6和第二二氧化硅薄膜4之間放置未知濃度的待測酒精溶液5；

2)飛秒激光器7產(chǎn)生飛秒激光脈沖光源，經(jīng)過斬波器8，被分束器9分為較強的泵浦光和較弱的探測光，泵浦光射向光電導(dǎo)天線10激發(fā)THz脈沖，THz脈沖經(jīng)過經(jīng)第一拋面鏡11準(zhǔn)直，再經(jīng)第一聚四氟乙烯透鏡12聚焦入射到高阻硅棱鏡1一側(cè)表面上，在透射到第一二氧化硅薄膜2、單層石墨烯3、第二二氧化硅薄膜4、待測酒精溶液5、再經(jīng)高阻硅片6的上表面反射返回到高阻硅三角棱鏡1，太赫茲波出射棱鏡后被第二聚四氟乙烯透鏡13準(zhǔn)直后，被第二拋面鏡14聚焦，并透過薄膜分束鏡15到達(dá)ZnTe晶體16，與經(jīng)過第一反射鏡22、延遲線23和第二反射鏡24并被薄膜分束鏡15反射的探測光匯合，探測光透過ZnTe晶體16、四分之一波片17、沃拉斯頓棱鏡18后被光電平衡探測器19探測，所測電信號被鎖相放大器20放大后送入計算機21得到太赫茲脈沖的時域波形，經(jīng)過傅里葉變換后得到反射系數(shù)的頻率變化曲線；

3)光導(dǎo)天線10激發(fā)的太赫茲波脈沖在0.1～2.5THz范圍，頻率間隔小于1GHz，被光電平衡探測器19探測得太赫茲脈沖的時域波形經(jīng)過傅里葉變換后得到棱鏡反射系數(shù)的頻率變化曲線；

4)根據(jù)未知濃度的待測酒精溶液測得的太赫茲反射系數(shù)曲線,計算諧振峰位置并代入由標(biāo)準(zhǔn)溶度-諧振峰測量校正曲線得到待測酒精溶液的精確濃度。

標(biāo)準(zhǔn)溶度-諧振峰測量校正曲線通過如下步驟得到：

1)在高阻硅襯底6和第二二氧化硅薄膜4之間分別放置純水、5％、10％、15％、20％、25％、30％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％、100％的標(biāo)準(zhǔn)酒精溶液；

2)光導(dǎo)天線10激發(fā)的太赫茲波脈沖在0.1～2.5THz范圍，頻率間隔小于1GHz，被光電平衡探測器19探測到的太赫茲脈沖的時域波形經(jīng)過傅里葉變換后得到棱鏡反射系數(shù)的頻率變化曲線，如圖2所示；

3)在測量所有標(biāo)準(zhǔn)溶液的太赫茲反射系數(shù)曲線后，計算諧振峰位置并與溶液濃度數(shù)據(jù)一起建立標(biāo)準(zhǔn)溶度-諧振峰測量校正曲線(如圖3所示)，從純水到純酒精變化過程中，反射系數(shù)曲線上的諧振峰移動能達(dá)800GHz以上，使得測量酒精濃度精度達(dá)到0.2％以上。