技术领域本发明涉及光学传感技术领域，具体涉及一种含吸收介质石墨烯的表面缺陷腔光子晶体折射率传感器。
背景技术：
光学折射率传感器是由光学、电磁学、和微电子学等多学科交叉结合的产物，是通过对待测样本折射率调制的方法来检测样本浓度和组分等多种信息的传感装置，其具有灵敏度高、检测迅速和抗干扰能力强等特点，广泛应用于食品安全、环境监测、和国防科技等领域。目前，应用较为常见的是表面等离子体谐振(SPR)型光学折射率传感器。其采用金膜或银膜激发表面等离子体波来作为检测表面，具有检测速度快和实时性高等特点。然而，金膜或银膜对光的吸收较大，导致待测样本与表面等离子体波之间的相互作用不够充分，因此该类传感器的品质因数(Q值)和检测精度相对较低。光子晶体是周期性调制的电介质结构，具有独特的禁带特性和光子局域特性。光子晶体周期性结构中引入缺陷后，可以改变其原来的光学传输特性，获得频率极窄的缺陷态。缺陷态光子晶体应用到折射率传感器中，具有灵敏度高和抗干扰能力强等特点，适用于对样本折射率和浓度的检测，在光学生物传感方面具有显著优势。近年来，基于缺陷态的光子晶体折射率传感器的研究异常活跃。对现有技术文献检索发现，陈颖等(带多孔硅表面缺陷腔的半无限光子晶体Tamm态及其折射率传感机理，物理学报，2014，第24期)提出了基于多孔硅表面缺陷光子晶体Tamm态的折射率传感器结构，但由于该传感器灵敏度相对较低，仅为546.67nm/RIU，所以很难实现对低浓度和小分子样本的高精度检测。闫江周等(基于非完整表面缺陷模式的一维光子晶体高分辨率折射率传感器，光谱学与光谱分析，2011，第2期)设计了一种非完整表面缺陷模式的一维光子晶体折射率传感器，但受限于其半高全宽较宽，该传感器品质因数仅为260，因此在实际应用时稳定性较差。李大海等(缺陷态一维光子晶体液体传感器及Fibonacci准晶光子晶体的研究，郑州大学，硕士学位论文，2010)根据反射谱及缺陷模的变化规律设计了缺陷态一维光子晶体液体折射率传感器，并给出了传感器的敏感度。但是，由于该传感器是在光子晶体内部引入缺陷腔，因此制作过程相对复杂，而且其待测物检测的可重复性差，降低了传感器的实用性。针对上述研究发现，目前的光子晶体折射率传感器很难满足传感器高效率、高精度的发展趋势。
技术实现要素：
本发明旨在提供一种制作容易，待测物检测的可重复性强，而且具有高灵敏度和高Q值的光子晶体折射率传感器，以解决目前传感器检测精度低和稳定性差的问题，能够实现对低浓度和小分子样本的高精度检测。本发明通过下述技术方案来实现：一种含吸收介质石墨烯的表面缺陷腔光子晶体折射率传感器，其结构组成由上至下依次设置为表面缺陷腔、周期性光子晶体和耦合棱镜，在所述周期性光子晶体表面构造表面缺陷腔，所述周期性光子晶体由高折射率材料A和低折射率材料B周期交替排列而成，表面缺陷腔包括吸收介质石墨烯C和低折射率材料B，其结构组成为：低折射率材料B-吸收介质石墨烯C-低折射率材料B；进行检测时，将待测样本溶液流经该传感器表面，入射光信号从所述耦合棱镜入射到缺陷态周期性光子晶体中，建立谐振峰波长与待测样本折射率的关系，通过检测谐振峰波长漂移来实现对待测样本折射率的动态监测。所述周期性光子晶体中，高折射率材料A的折射率nA＝2.65，厚度dA＝77nm；低折射率材料B的折射率nB＝1.38，厚度dB＝147nm。所述周期性光子晶体的周期数n＝3。所述的表面缺陷腔中所选用的上下两层低折射率材料B的厚度满足13nm≤d1≤15nm，30nm≤d2≤31nm，43nm≤d1+d2≤46nm。所述表面缺陷腔中选用的吸收介质石墨烯C置于两低折射率材料B中间，层数nc＝1。所述耦合棱镜为三角棱镜，其折射率nk＝1.5106。所述入射光信号的波长范围为650nm～780nm，以θ＝47°的入射角从耦合棱镜入射到缺陷态周期性光子晶体中。所述待测样本的溶液厚度用微流装置控制，将待测样本通过微流装置流经传感器表面，溶液厚度为210nm。本发明的原理在于：在周期性光子晶体表面引入缺陷腔，通过棱镜耦合，使得电磁波在缺陷层内全反射，并在缺陷层内发生反复谐振形成谐振腔。然而，该谐振波长对应的光波在缺陷腔内经过多次全反射后最终仍要回到入射的介质(即周期性光子晶体)中，在反射谱就会观测不到这个特征波长，如图1所示，因此也就无法有效地反应待测样本的信息变化。通过在缺陷层引入吸收介质石墨烯，使得满足谐振条件的光信号被逐步吸收形成衰荡，从而在反射谱中获得与谐振波长对应的缺陷尖峰，如图2所示。建立谐振峰波长与待测样本折射率的关系，通过检测谐振峰波长漂移来实现对待测样本折射率的动态监测。上述传感模型用缺陷腔代替了传统SPR传感器中的金膜(或银膜)，使电磁波与待测样本更充分接触，提高了传感器的Q值和灵敏度。与现有技术相比，本发明的优点在于：1.在周期性光子晶体表面构造缺陷腔，用表面缺陷腔代替了传统SPR传感器中的金膜(或银膜)，通过腔内多次全反射，使电磁波与待测样本更充分接触，从而提高了传感器的灵敏度和Q值。2.在缺陷腔中引入吸收介质石墨烯，使得谐振光信号被逐步吸收形成衰荡，从而在反射谱中得到谐振缺陷峰，建立谐振峰波长与待测样本折射率的关系，通过检测缺陷峰波长漂移实现对待测样本折射率的动态监测。3.本设计结构简单，制作容易，成本较低，待测物检测的可重复性强。附图说明图1为缺陷腔内不含吸收介质的反射光谱图。图2为缺陷腔内含吸收介质石墨烯的反射光谱图。图3为本发明整体结构示意图。图4为缺陷态周期性光子晶体分层结构示意图。图5为实施例1中不同浓度NaCl溶液对应的缺陷峰漂移特性图。图6为实施例2中不同浓度NaCl溶液对应的缺陷峰漂移特性图。具体实施方式如图3～4所示，一种含吸收介质石墨烯的表面缺陷腔光子晶体折射率传感器。该折射率传感器结构由上至下依次设置为表面缺陷腔1、周期性光子晶体2和耦合棱镜3。耦合棱镜选用三角棱镜，其折射率nk＝1.5106。在周期性光子晶体2表面构造表面缺陷腔1，周期性光子晶体2由高折射率材料A和低折射率材料B周期交替排列而成，表面缺陷腔1包括吸收介质石墨烯C和低折射率材料B，其结构组成为：B-C-B；选用不同浓度的NaCl溶液为待测样本，对其进行检测分析。在室温20℃、水温18℃时，NaCl溶液折射率和浓度的关系为nc＝1.3331+0.00185c，c为NaCl溶液的百分比浓度。由于NaCl溶液浓度和折射率呈线性关系，所以浓度不同会导致其折射率不同，缺陷峰的波长将会发生漂移。因此，最终能够建立待测样本浓度和缺陷峰波长之间的关系模型，通过测定中心波长的位置，计算待测样本的浓度，对其浓度进行动态监测。实施例1本实例中，周期性光子晶体2中的高折射率材料A选用折射率为nA＝2.65的碳化硅，低折射率材料B选用折射率为nB＝1.38的氟化镁，周期性光子晶体2由碳化硅和氟化镁周期排列而成，厚度分别为dA＝77nm和dB＝147nm，周期数n＝3。表面缺陷腔1由厚度分别为d1＝15nm和d2＝31nm的两层氟化镁(低折射率材料B)以及吸收介质石墨烯C构成，吸收介质石墨烯C置于两层氟化镁中间，层数nc＝1，其结构组成为氟化镁-石墨烯-氟化镁。选用浓度为c1＝38％和c2＝40％的NaCl溶液为待测样本对其进行检测分析，将NaCl溶液通过微流装置流经传感器表面，溶液厚度控制为210nm，采用VisibleDPSSLasers可见光激光器(波长范围为400nm～780nm)，以θ＝47°通过棱镜入射到光子晶体中。缺陷峰漂移特性图如图5所示，由于NaCl溶液浓度升高，导致其折射率增大，缺陷峰发生了明显红移。计算可得该传感器灵敏度为1.655nm/1％。说明该传感器有良好的光谱反应特性，能够实现对样本的高精度检测。实施例2本实例中，周期性光子晶体2中的高折射率材料A选用折射率为nA＝2.65的二氧化钛，低折射率材料B选用折射率为nB＝1.38的二氧化硅，周期性光子晶体2由二氧化钛和二氧化硅周期排列而成，厚度分别为dA＝77nm和dB＝147nm，周期数n＝3。表面缺陷腔1由厚度分别为d1＝13nm和d2＝30nm的两层二氧化硅(低折射率材料B)以及吸收介质石墨烯C构成，吸收介质石墨烯C置于两层二氧化硅中间。其结构组成为二氧化硅-石墨烯-二氧化硅，吸收介质石墨烯层数nc＝1。选用浓度为c1＝40％和c2＝38％的NaCl溶液为待测样本对其进行检测分析，将NaCl溶液通过微流装置流经传感器表面，溶液厚度控制为210nm，采用VisibleDPSSLasers可见光激光器(波长范围400nm～780nm)，以θ＝47°通过棱镜入射到光子晶体中。缺陷峰漂移特性图如图6所示，由于NaCl溶液浓度降低，导致其折射率变小，缺陷峰发生了明显蓝移。计算可得该传感器灵敏度为1.650nm/1％。说明该传感器有良好的光谱反应特性，能够实现对样本的的高精度检测。上述的实施例意在举例和说明，本发明并非局限于所描述的实施例范围内，由于本发明的折射率传感器在结构尺寸和材料制备选择上有良好的灵活性，可以做出很多变型和修改，这些变型和修改均落在本发明权利要求书的保护范围内。