石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成,呈六角型蜂窝晶格的单原子层厚度二维材料。由于其特殊的晶格结构,石墨烯在光学、电子学等领域表现出了优异的性质,尤其是在光—石墨烯相互作用方面的研究,结合石墨烯其他方面的物理性质,如柔性、透明、电子输运特性等,使得其在光存储、传感、生物医学、光电探测等诸多领域呈现出巨大应用价值。单层石墨烯厚度只有0.34nm,吸收2.3%的光,肉眼看上去几乎是完全透明的。垂直照射的情况下光与石墨烯相互作用非常弱,因此如何增强光与石墨烯的相互作用,进而研究光与石墨烯相互作用规律,无疑成为了石墨烯光电子学的突出问题。目前,国际报道的光与石墨烯相互作用方式主要有三种：(1)通过激发表面等离子体波增强光与石墨烯相互作用；(2)通过在石墨烯上下面增加光学震荡腔,使得光能够多次穿过石墨烯进而增强光与石墨烯相互作用；(3)将光引入Si波导中形成多次反射增强光与石墨烯相互作用。这些方法都可以在一定程度上起到增强光与石墨烯相互作用的目的,但是受限于复杂的纳米工艺、高昂的成本、高难度的空间光操作以及特定波长范围,这些方法在应用上很大程度上受到限制。在本论文中,我们通过全内反射这一简单方法,在石墨烯的三明治结构下成功实现了光与石墨烯相互作用的增强,并且这种增强方式不以牺牲石墨烯宽带特性(300-2500nm)为代价。同时我们还发现全内反射下石墨烯的偏振依赖效应,并且通过调节石墨烯层数、入射角度、介质折射率实现了不同偏振态下石墨烯光学吸收从0～100%的调控。值得一提的是,全内反射下这些新奇的光与石墨烯相互作用的现象不因石墨烯的获得方法不同而表现出不同,即无论是机械剥离方法还是化学气相沉积方法甚至是化学还原氧化石墨烯方法获得的石墨烯都具有上述现象。在接下来的研究中我们发现,在全内反射条件下,光与石墨烯的相互作用对介质折射率异常敏感,实验中我们结合芯片实验室(lab-chip)技术,将折射率传感应用于微流体实时折射率监测。我们利用麦克斯韦电磁波理论很好地解释了石墨烯这一单原子层材料在全内反射下表现出的一系列重要的光学现象。在本论文中,我们将这一系列重要的发现应用在以下方面：1.海量、柔性、多层膜光数据存储。由于石墨烯对不同偏振光的吸收不同,我们将不同偏振的光强信号转化为电压信号,没有石墨烯的地方偏振吸收相同记为“0”,有石墨烯的地方偏振吸收不同记为“1”。这样,形成“0”和“1”的数据存储模式。实验结果显示在“0”和“1”之间的电压信号差接近2V,信噪比～100。实验中,我们使用具有折射率梯度的透明介质膜作为缓冲层,进而形成多层光数据存储,这种光数据存储方法的出现为海量信息存储提供一个新的途径,有望大大增加存储密度。2.石墨烯超快、实时折射率传感器。在本论文中,由于光与石墨烯相互作用对介质层折射率异常敏感,我们结合芯片实验室技术,通过形成微流体通道／石墨烯传感层／棱镜的三明治结构,实现了折射率的超快实时传感。折射率的传感范围可以从1-1.5,响应速度可以达到微秒量级,并且系统具有实时、免标记、无损的特点。这为快速变化的流体折射率高灵敏测量提供了有效的传感手段,为石墨烯微流体折射率传感器在生物医学、分析化学等领域的应用奠定了基础。