專利名稱：電場驅動氧化石墨烯電子轉移產生光脈沖的方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及光脈沖技術，具體為一種電場驅動氧化石墨烯電子轉移產生光脈沖的方法及裝置。
背景技術：
光脈沖在醫學、通信、軍事以及光譜分析中都有極為廣泛的應用。通常采用外部調制產生光脈沖的方法大致有以下幾種:機械斬光、聲光調制器以及相位調制器等電光器件的強度調制。這些方法產生光脈沖的特點都是光脈沖直接受到外部調制信號的限制，只能呈現與調制信號一致的脈沖波形，無法實現在外部調制信號上升或下降的過程中產生光脈沖。這無法滿足時間分辨光譜、三維光學成像與光信息處理等領域需要在外部方波電場調制信號的上升或下降過程中產生光脈沖的技術要求。
發明內容
本發明為解決目前光脈沖發生裝置無法實現在電場控制信號的上升沿以及下降沿產生光脈沖的技術問題，提供一種電場驅動氧化石墨烯電子轉移產生光脈沖的方法及裝置。本發明所述的電場驅動氧化石墨烯電子轉移產生光脈沖的方法是采用以下技術方案實現的:一種電場驅動氧化石墨烯電子轉移產生光脈沖的方法，包括以下步驟:Ca)在制備好的氧化石墨烯樣品的兩端加載經過方波信號調制的電壓；所述電壓的最高電場強度范圍為150V/mnT400V/mm ； (b)采用連續激光聚焦于氧化石墨烯樣品表面,氧化石墨烯樣品在聚焦激光的激發下發射熒光；收集樣品不同位置發射的熒光，并將熒光的光強信號轉換成相應的電信號，確定氧化石墨烯樣品各個位置發射的熒光與所施加方波電壓的關系，記錄樣品上能夠產生同頻響應或倍頻響應的位置信息；所述的同頻響應是指樣品上受激發射的熒光脈沖強度隨方波電壓的下降沿突然增強的現象；所述的倍頻響應是指樣品上受激發射的熒光脈沖強度隨方波電壓的下降沿和上升沿均突然增強的現象；(c)采用連續激光分別激發這些位置，就獲得了隨外部調制方波的下降沿突然增強或隨上升沿及下降沿突然增強的突光脈沖。氧化石墨烯(graphene oxide)是石墨烯一種重要的衍生物,主要通過化學方法剝離石墨獲得。與石墨烯相比，氧化石墨烯不但具有平面結構，而且含有較多的含氧功能基團，這使得氧化石墨烯能夠分散到各種溶劑中，極大擴展了氧化石墨烯在材料、化學劑傳感器領域的應用范圍；氧化石墨烯自身具有熒光性質，能夠在外部激光的激發下發射波長為500nm—700nm的熒光，因此可以制備熒光探針，構建熒光傳感器。氧化石墨烯呈單原子層石墨平面結構，平面上存在含氧功能基團，因此氧化石墨烯分子結構中既有碳原子形成的sp2軌道又有氧原子形成的sp3軌道；位于sp2軌道和sp3軌道上的電子在連續激光的激發下會向低能級軌道躍遷，躍遷過程中會發射特定波長的熒光；但是由于位于sp3軌道上的大量電子受到氧原子的較強的束縛，遷移率較低，在激光的激發下僅能發射微弱的熒光，其強度要遠小于電子由sp2軌道躍遷所發射的熒光強度。我們研究發現在氧化石墨烯樣品的兩端加上具有方波特性的電壓后，氧化石墨烯就會發射具有同頻響應或倍頻響應特性的熒光脈沖。如圖4與圖5所示，在氧化石墨烯表面的一些特殊位置sp2軌道與sp3軌道相距很近，電子受到電場作用力F以及氧化石墨烯內部作用力/的共同作用。在電場作用下，電子運動由sp3軌道轉移至sp2軌道后，使得從sp2軌道向低能級軌道躍遷的電子數顯著增加，從而使熒光突然增強。由于電子運動軌道的確定性結構使得只有在特定電壓作用下(即電壓的電場強度在150V/mnT400V/mm范圍內)電子才能夠由sp3軌道轉移至sp2軌道，因此在方波電場作用下在上升沿或下降沿產生光脈沖。如圖4為倍頻響應產生的原理圖。當電子受到電場作用力F的方向與電子受到的氧化石墨烯內部作用力f的方向在同一條直線上且方向相反時，此時當施加電場(F古O)時，電子由sp3軌道轉移到sp2使熒光強度突然增強(圖中上部的兩個彎曲箭頭所示)，即熒光強度隨方波的上升沿突然增強；當撤掉電場(F=O)時，電子反向運動到sp2使熒光強度突然增強，即熒光脈沖的強度隨方波的下降沿突然增強(圖中下部兩個彎曲箭頭所示)；由于電場作用與撤銷后電子運動軌跡一致，即都經由sp3軌道轉移到sp2軌道，從而隨外部調制方波的上升沿及下降沿產生熒光脈沖，形成了倍頻光脈沖。如圖5所示為同頻響應的原理圖，此時位于sp3軌道上的電子受到電場作用力F的方向與電子受到的氧化石墨烯內部的吸引力/的方向不在同一條直線上，二者的合力決定了電子軌道的變化。在撤掉電場(F=O)時，電子只受到氧化石墨烯內部作用力/的作用。由于電場作用下與電場撤銷后電子運動軌跡不一致，當僅在撤銷電場后電子才能夠經由sp3軌道轉移到sp2軌道(圖中下部兩個彎曲箭頭所示)，那么僅在方波電場的下降沿出現光脈沖，從而形成同頻光脈沖。由于氧化石墨烯樣品表面上能夠產生同頻響應及倍頻響應的位置分布是未知的，因此需要用連續激光對樣品表面進行掃描，通過確定樣品表面能夠產生同頻響應或倍頻響應的位置，就能夠產生具有同頻響應及倍頻響應特性的光脈沖。最高電場強度為150 V/mm 400V/mm，能夠保證氧化石墨烯表面發射出熒光并且結構不會發生改變。本發明所述的電場驅動氧化石墨烯電子轉移產生光脈沖的裝置是采用以下技術方案實現的:一種電場驅動氧化石墨烯電子轉移產生光脈沖的裝置，包括一個連續激光器，所述連續激光器的出射光路上設有一個面法線與連續激光器的出射光路呈45°的二向色鏡；二向色鏡的反射光路上順次設有顯微鏡物鏡以及其上設有載玻片的三維納米平移臺；所述載玻片的工作表面垂直于反射光路；二向色鏡透射光路上順次設有50(T700nm濾光片、針孔和單光子探測器；單光子探測器的信號輸出端連接有計算機數據采集與控制系統；還包括方波電壓輸出裝置；載玻片兩端各設有一個電極，方波電壓輸出裝置的電壓輸出端分別與所述兩個電極相連接；所述方波電壓輸出裝置輸出電壓的最高電場強度范圍為150V/mnT400V/mm ;所述計算機數據采集與控制系統的信號輸入/輸出端與三維納米平移臺的輸入/輸出雙向端口相連接。將氧化石墨烯樣品放置于三維納米平移臺的載玻片上，氧化石墨烯樣品的兩端分別與兩個電極相連接，連續激光器發射連續激光聚焦于氧化石墨烯樣品表面；同時方波電壓輸出裝置輸出具有方波特性的電壓，該電壓產生的最高電場強度為150 V/mm 400V/mm，這個電場強度能夠保證氧化石墨烯表面發射出熒光并且結構不會發生改變；所述具有方波特性的電壓通過兩個電極加載到氧化石墨烯樣品的兩端，同時氧化石墨烯樣品在激光的激發下發射出熒光，所發射的熒光經過顯微鏡物鏡的聚焦后透過二向色鏡并經過50(T700nm濾光片濾去除熒光以外的其它波長的光，再經過針孔的空間濾波后進入單光子探測器的接收端；單光子探測器將接收到的熒光光強信號轉化為相應的電信號，并將該電信號輸入至計算機數據采集與控制系統，計算機數據采集與控制系統在相應軟件的支持下，首先操縱三維納米平移臺在平行于光路的方向上移動，待熒光強度可以被單光子探測器精確探測時，再開始操縱三維納米平移臺上的載玻片在垂直于光路的方向上移動，實現對氧化石墨烯樣品表面進行激發與掃描，直到獲得激發點發出的熒光隨方波的下降沿突然增大的同頻響應現象，或者激發點發出的熒光隨方波的下降沿以及上升沿而突然增大的倍頻響應現象；此時就獲得了由電場驅動氧化石墨烯電子轉移引起的熒光增強的光脈沖。找到能夠產生同頻響應或倍頻響應的光脈沖的位置，就可以將單光子探測器移開，將熒光脈沖引入至需要這種脈沖光的裝置中，加以利用。這種光脈沖不同于通常的隨外部光學調制器控制產生的光脈沖，其強度僅僅是隨外部調制方波電壓信號的下降沿以及上升沿而突然增強。計算機數據采集與控制系統一般包括一個數據采集卡和一個計算機系統；數據采集卡用于采集單光子探測器傳輸來的電信號，計算機系統則在相應軟件的支持下，控制數據采集卡對熒光信號的采集工作，同時控制三維納米平移臺的移動，并將樣品每個受激發光點的位置信息與該位置所發射的熒光的特性進行綜合分析，逐點給出樣品被激光激發所發射的熒光強度隨時間的變化曲線，最終得到樣品上能夠發生同頻響應或倍頻響應的位置信息，這樣就可以獲得具有同頻響應或倍頻響應特性的熒光脈沖。所述的相應軟件是本領域技術人員的公知技術，是易于編寫的。所述的方波電壓輸出裝置為本領域技術人員的公知技術，有多種結構及型號可供選擇。所述三維納米平移臺設有控制系統，可以被計算機系統控制，也可以向外輸出自身的位置信號。所述二向色鏡具有兩向色性的分光器件，其特性是對兩種不同波長的光線分別實現透射和反射的作用。本發明所選用的二向色鏡能夠反射連續激光器的短波且透過樣品發射的熒光。顯微鏡物鏡用于對入射的激光進行聚焦以及對出射的熒光進行匯聚收集，使激光聚焦后能夠照射在氧化石墨烯樣品上并使氧化石墨烯樣品發射出熒光，并大量收集氧化石墨烯受激發射的熒光，再通過二向色鏡，經過濾光片的濾光、針孔的空間濾光后進入單光子探測器的接收端。本發明得到了一種隨外部調制信號(方波)的下降沿以及上升沿而突然增強的同頻響應或倍頻響應的光脈沖信號，可以廣泛應用于時間分辨光譜、三維光學成像與光信息處理等領域，填補了該領域的技術空白。
圖1本發明所述裝置結構示意圖。圖2同頻響應的熒光脈沖信號示意圖。圖3倍頻響應的熒光脈沖信號示意圖。圖4倍頻響應的電場作用下電子受力運動軌跡示意圖。圖5同頻響應的電場作用下電子受力運動軌跡示意圖。1-連續激光器，2- 二向色鏡，3-顯微鏡物鏡，4-三維納米平移臺，5-載玻片，6_濾光片，7-針孔，8-單光子探測器，9-計算機數據采集與控制系統，10-高壓放大器，11-函數信號發生器。
具體實施例方式一種電場驅動氧化石墨烯電子轉移產生光脈沖的方法，包括以下步驟:(a)在制備好的氧化石墨烯樣品的兩端加載經過方波信號調制的電壓；所述電壓的最高電場強度范圍為 150V/mnT400V/mm(可選擇 150 V/mm,200 V/mm,250 V/mm,300 V/mm,350 V/mm,400 V/mm) ;(b)采用連續激光聚焦于氧化石墨烯樣品表面，氧化石墨烯樣品在聚焦激光的激發下發射熒光；收集樣品不同位置發射的熒光，并將熒光的光強信號轉換成相應的電信號，確定氧化石墨烯樣品各個位置發射的熒光與所施加方波電壓的關系，記錄樣品上能夠產生同頻響應或倍頻響應的位置信息；所述的同頻響應是指樣品上受激發射的熒光脈沖強度隨方波電壓的下降沿突然增強的現象；所述的倍頻響應是指樣品上受激發射的熒光脈沖強度隨方波電壓的下降沿和上升沿均突然增強的現象；(c)采用連續激光分別激發這些位置，就獲得了隨外部調制方波的下降沿突然增強或隨上升沿及下降沿突然增強的熒光脈沖。一種電場驅動氧化石墨烯電子轉移產生光脈沖的裝置，包括一個連續激光器I，所述連續激光器I的出射光路上設有一個面法線與連續激光器I的出射光路呈45°的二向色鏡2 ;二向色鏡2的反射光路上順次設有顯微鏡物鏡3以及其上設有載玻片5的三維納米平移臺4 ;所述載玻片5的工作表面垂直于反射光路；二向色鏡2透射光路上順次設有500 700nm (可選擇 500nm、510nm、520nm、530nm、540nm、550nm、560nm、570nm、580nm、590nm、600nm、610nm、620nm、630nm、640nm、650nm、660nm、670nm、680nm、690nm、7OOnm)濾光片 6、針孔7和單光子探測器8 ;單光子探測器8的信號輸出端連接有計算機數據采集與控制系統
9;還包括方波電壓輸出裝置；載玻片5兩端各設有一個電極,方波電壓輸出裝置的電壓輸出端分別與所述兩個電極相連接；所述方波電壓輸出裝置輸出電壓的最高電場強度范圍為150V/mm^400V/mm (可 選擇 150 V/mm>200 V/mm>250 V/mm>300 V/mm>350 V/mm>400 V/mm)；所述計算機數據采集與控制系統9的信號輸入/輸出端與三維納米平移臺4的輸入/輸出雙向端口相連接。所用連續激光器I出射激光波長為612nnT662nm (可選擇612nm、622nm、632nm、642nm、652nm、662nm)。所述方波電壓輸出裝置包括高壓放大器10以及與高壓放大器10相連接的函數信號發生器11 ;所述函數信號發生器11的信號輸出端與高壓放大器10驅動模塊的信號輸入端相連接；高壓放大器10的電壓輸出端分別與載玻片5的兩個電極相連接。連續激光器I型號picoQuant，roL808型，出射激光波長為632nm，我們經過大量的實驗證明，選用該波長的激光對氧化石墨烯樣品進行激發，所激發的熒光強度最大。通常選用670nm的濾光片，這是因為氧化石墨烯發射的熒光在670nm強度最大。三維納米平移臺4的型號為Tritor 200/20 SG，單光子探測器8的型號為SPCM-15，函數信號發生器11的型號為Agilent，33250A,計算機數據采集與控制系統9主要有NI 6251數據采集卡及LabVIEW程序組成。具體實施時，氧化石墨烯樣品5是用懸涂的方法制備的，將濃度為0.5mg/ml的氧化石墨烯溶液(直徑1-5微米、厚度0.8-1.2納米、純度> 99%、單層率> 99%)稀釋到濃度為0.004mg/ml，經過離心震蕩后使氧化石墨烯在溶液中充分稀釋，然后用懸涂儀將氧化石墨烯樣品溶液懸涂在玻璃基片上，待溶劑蒸發干后即制備好氧化石墨烯樣品。在樣品兩端加上鋁制電極。函數信號發生器11輸出的方波調制信號(200mHz)加載到高壓放大器10的驅動端，使得高壓放大器10輸出0-1500V的高壓信號加在氧化石墨烯樣品的兩端，產生的電場最高強度范圍為150V/mm 400V/mm。連續激光器I輸出的激光通過光學透鏡元件組(整形棱鏡、聚焦透鏡、反射鏡)后通過顯微鏡物鏡(100 X，油浸)聚焦到氧化石墨烯樣品5上，樣品在激光激發后發射的熒光被顯微鏡物鏡3收集，通過濾光片6和針孔7進行空間濾波后進入單光子探測器8并用計算機數據采集與控制系統9進行數據采集與分析。圖2為上述電壓加到氧化石墨烯樣品的兩端后產生的同頻響應曲線示意圖。在沒有電場作用的情況下，熒光光子計數為約lOkcps，而在施加電場后下降沿的同頻脈沖信號為 80kcps。圖3為上述電壓加到氧化石墨烯樣品的兩端后產生的倍頻響應曲線示意圖。在沒有電場作用的情況下，熒光光子計數為約5kcps，而在施加電場后在上升沿和下降沿同時出現的倍頻脈沖信號為80kcps。圖4為倍頻響應產生的電子受電場作用力運動軌跡原理圖。當電子受到電場作用力F的方向與電子受到氧化石墨烯樣品內部作用力/的方向在同一條直線上，此時當施加電場(F Φ O)時，電子由sp3軌道轉移到sp2使熒光突然增強，即熒光強度在方波的下降沿突然增強；當撤掉電場(F=O)時，電子反向運動到sp2使熒光突然增強，即熒光強度在方波的上升沿突然增強；由于電場作用與撤銷后電子運動軌跡一致，即都經由sp3軌道轉移到sp2軌道，從而同時在外部調制方波的上升沿及下降沿產生熒光脈沖，形成了倍頻響應的光脈沖。圖5所示為同頻響應產生的電子受電場作用力運動軌跡原理圖，此時位于sp3軌道上的電子受到電場作用力F的方向與電子受到氧化石墨烯樣品內部作用力/的方向不在同一條直線上，二者的合力決定了電子軌道的變化。在撤掉電場(F=O)時，電子只受到氧化石墨烯樣品內部作用力/的作用。由于電場作用下與電場撤銷后電子運動軌跡不一致，當僅在撤銷電場后電子才能夠經由sp3軌道轉移到sp2軌道，那么僅在方波電場的下降沿出現光脈沖，從而形成同頻響應的光脈沖。
權利要求
1.一種電場驅動氧化石墨烯電子轉移產生光脈沖的方法，其特征在于，包括以下步驟:Ca)在制備好的氧化石墨烯樣品的兩端加載經過方波信號調制的電壓；所述電壓的最高電場強度范圍為150V/mnT400V/mm ； (b)采用連續激光聚焦于氧化石墨烯樣品表面，氧化石墨烯樣品在聚焦激光的激發下發射熒光；收集樣品不同位置發射的熒光，并將熒光的光強信號轉換成相應的電信號，確定氧化石墨烯樣品各個位置發射的熒光與所施加方波電壓的關系，記錄樣品上能夠產生同頻響應或倍頻響應的位置信息；所述的同頻響應是指樣品上受激發射的熒光脈沖強度隨方波電壓的下降沿突然增強的現象；所述的倍頻響應是指樣品上受激發射的熒光脈沖強度隨方波電壓的下降沿和上升沿均突然增強的現象；(c)采用連續激光分別激發這些位置，就獲得了隨外部調制方波的下降沿突然增強或隨上升沿及下降沿突然增強的熒光脈沖。
2.一種電場驅動氧化石墨烯電子轉移產生光脈沖的裝置，用于實現如權利要求1所述的電場驅動氧化石墨烯電子轉移產生光脈沖的方法，其特征在于，包括一個連續激光器(1)，所述連續激光器(I)的出射光路上設有一個面法線與連續激光器(I)的出射光路呈45°的二向色鏡(2) ;二向色鏡(2)的反射光路上順次設有顯微鏡物鏡(3)以及其上設有載玻片(5)的三維納米平移臺(4);所述載玻片(5)的工作表面垂直于反射光路；二向色鏡(2 )透射光路上順次設有50(T700nm濾光片(6 )、針孔(7 )和單光子探測器(8 );單光子探測器(8)的信號輸出端連接有計算機數據采集與控制系統(9);還包括方波電壓輸出裝置；載玻片(5)兩端各設有一個電極，方波電壓輸出裝置的電壓輸出端分別與所述兩個電極相連接；所述方波電壓輸出裝置輸出電壓的最高電場強度范圍為150V/mnT400V/mm ;所述計算機數據采集與控制系統(9)的信號輸入/輸出端與三維納米平移臺(4)的輸入/輸出雙向端口相連接。
3.如權利要求2所述的電場驅動氧化石墨烯電子轉移產生光脈沖的裝置，其特征在于，所用連續激光器(1)出射激光波長為612nnT662nm。
4.如權利要求2或3所述的電場驅動氧化石墨烯電子轉移產生光脈沖的裝置，其特征在于，連續激光器(1)出射激光波長為632nm。
5.如權利要求2或3所述的電場驅動氧化石墨烯電子轉移產生光脈沖的裝置，其特征在于，所述濾光片(6)為670nm濾波片。
6.如權利要求4所述的電場驅動氧化石墨烯電子轉移產生光脈沖的裝置，其特征在于，所述濾光片(6)為670nm濾波片。
7.如權利要求2或3所述的電場驅動氧化石墨烯電子轉移產生光脈沖的裝置，其特征在于，所述方波電壓輸出裝置包括高壓放大器(10)以及與高壓放大器(10)相連接的函數信號發生器(11);所述函數信號發生器(11)的信號輸出端與高壓放大器(10)驅動模塊的信號輸入端相連接；高壓放大器(10)的電壓輸出端分別與載玻片(5)的兩個電極相連接。
8.如權利要求4所述的電場驅動氧化石墨烯電子轉移產生光脈沖的裝置，其特征在于，所述方波電壓輸出裝置包括高壓放大器(10)以及與高壓放大器(10)相連接的函數信號發生器(11);所述函數信號發生器(11)的信號輸出端與高壓放大器(10)驅動模塊的信號輸入端相連接；高壓放大器(10)的電壓輸出端分別與載玻片(5)的兩個電極相連接。
9.如權利要求6所述的電場驅動氧化石墨烯電子轉移產生光脈沖的裝置，其特征在于，所述方波電壓輸出裝置包括高壓放大器(10)以及與高壓放大器(10)相連接的函數信號發生器(11); 所述函數信號發生器(11)的信號輸出端與高壓放大器(10)驅動模塊的信號輸入端相連接；高壓放大器(10)的電壓輸出端分別與載玻片(5)的兩個電極相連接。
全文摘要
本發明涉及光脈沖技術，具體為一種電場驅動氧化石墨烯電子轉移產生光脈沖的方法及裝置。解決了目前光脈沖發生裝置無法實現在電場控制方波信號的上升沿以及下降沿產生光脈沖的技術問題。一種電場驅動氧化石墨烯電子轉移產生光脈沖的方法，包括以下步驟(a)在制備好的氧化石墨烯樣品的兩端加載經過方波信號調制的電壓；所述電壓的最高電場強度范圍為150V/mm~400V/mm；(b)采用連續激光聚焦于氧化石墨烯樣品的表面;(c)獲得了強度隨外部調制方波的下降沿或同時隨上升沿及下降沿突然增大的熒光脈沖。本發明獲得了一種隨外部調制信號的下降沿以及上升沿而出現突然增強的光脈沖信號，可以廣泛應用于時間分辨光譜、三維光學成像與光信息處理等領域。
文檔編號G01N21/64GK103197485SQ201310067448
公開日2013年7月10日 申請日期2013年3月4日 優先權日2013年3月4日
發明者高巖, 陳瑞云, 張國峰, 肖連團, 賈鎖堂 申請人:山西大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
