表面增强的相干反斯托克斯拉曼散射的结构
阅读：825发布：2020-05-13
专利汇可以提供表面增强的相干反斯托克斯拉曼散射的结构专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种表面增强的相干反斯托克斯 拉曼散射 (SECARS)的结构，该结构包括：衬底层和非对称Au纳米圆柱阵列。非对称Au纳米圆柱阵列的每个单元包含两个直径为150到300nm，高度为100到200nm的圆柱颗粒，两个圆柱颗粒相互紧挨。该发明的结构可以使相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)的 信号 得到增强，同时结构简单。，下面是表面增强的相干反斯托克斯拉曼散射的结构专利的具体信息内容。
表面增强的相干反斯托克斯拉曼散射的结构
技术领域
背景技术
[0002] 光学方法在生命科学研究中占有重要的地位，随着20世纪60年代激光器的发明，高强度的理想光源大大推动了这一领域的发展。荧光显微技术已经能够拥有高时间分辨率、空间分辨率和高的探测灵敏度，但是外加的荧光标记对生物细胞自身的影响，以及荧光团自身的光致漂白损伤都是无法回避的问题。于是基于物质分子固有的分子振动光谱信号的非侵入显微成像技术就引起了人们的广泛关注，其中拉曼散射就是其中的一个典型例子。光学拉曼光谱信息丰富、对样品无损伤，使得其在化学、材料、物理、生物、地质、医药等领域都存在广泛的应用。然而，由于Raman散射的散射信号强度很低，散射截面仅仅只有10-30cm2/分子，散射效率只有1010∶1，这与传统的荧光谱线的强度有很大的差距，这就大大制约了Raman散射的应用。
[0003] 传统测量的Raman信号是Raman散射里面的斯托克斯线，其测量简单方便，但是荧光背景干扰对其分辨率有很大影响。而Raman信号的另一个分支-反斯托克斯线，由于其频率相对于入射光而言会变高，是发生蓝移的，这样它就自然的不存在背景的荧光干扰。
[0004] 相干反斯托克斯Raman散射(CARS)信号由于其相干性，信号强度相对传统的Raman信号有了大幅度提高，具有很大的应用前景。然而，CARS信号的测量相对来说比较复杂，为了提升其竞争力，我们就需要进一步提升CARS信号的强度。表面等离子体极化激元(SPP)由于其独特的共振效应，经过表面等离子体结构散射的光在其等离子体共振的波长范围内会得到成倍的增强。而CARS信号是一个四波混频的三阶非线性光学过程，包括泵浦光ωp，斯托克斯光ωs和探测光ωpr。如果要使SECARS信号得到最大程度的增强，就需要使泵浦光ωp、斯托克斯光ωs、探测光ωpr和反斯托克斯光ωas都得到增强，这也是SECARS信号增强需要解决的问题。
发明内容
[0005] 鉴于上述技术问题，本发明提供了一种表面增强的相干反斯托克斯拉曼散射的结构，其是非对称的Au纳米阵列来实现SECARS信号增强的结构。
[0006] 根据本发明的一个方面，提供了一种表面增强的相干反斯托克斯拉曼散射的结构，其是非对称的Au纳米阵列来实现SECARS信号增强的结构，该结构包括：低折射率的衬底层，非对称的Au纳米圆柱阵列。其中，低折射率的衬底层的折射率的范围在1.4到1.8之间，厚度为200nm到400nm。非对称的Au纳米圆柱阵列中的每个单元包含两个直径为150到300nm，高为100到200nm的圆柱颗粒，这两个圆柱颗粒相互紧挨。同时，整个结构在纳米圆柱阵列上的XY平面上X和Y方向上结构并不相同，而两个Au纳米圆柱颗粒相互靠近，有很强的光场耦合效应。如果超出范围，最后得到共振曲线的范围就会变窄或者偏离探测所需要的共振增强范围。
[0007] 从上述技术方案可以看出，本发明的表面增强的相干反斯托克斯拉曼散射结构具有以下有益效果：
[0008] (1)通过非对称的Au纳米圆柱阵列的表面等离子体效应可以有效的提高CARS信号的强度。
[0009] (2)该非对称的Au纳米圆柱阵列可以实现多位置，宽范围波段的共振增强，使得CARS信号的泵浦光ωp、斯托克斯光ωs、探测光ωpr和反斯托克斯光ωas都得到增强，进而可以更大限度的增强CARS信号。附图说明
[0010] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明，其中：
[0011] 图1为本发明为本发明的一个示例性的实施例的XZ面的二维示意图；
[0012] 图2为为本发明该实施例的XY面的二维示意图；
[0013] 图3为本发明的结构的吸收谱线图；
[0014] 图4为传统的Au胶体颗粒用于表面增强相干反斯托克斯拉曼散射的吸收谱线图。
[0015] 附图标记说明：
[0016] 1-低折射率衬底；2-非对称的Au纳米圆柱阵列。
具体实施方式
[0017] 图1为本发明的一个示例性的实施例的XZ面的二维示意图；图2为本发明该实施例的XY面的二维示意图。
[0018] 该设计的结构包括：
[0019] 衬底层1，低折射率的衬底，单面抛光；
[0020] 非对称的Au纳米圆柱阵列2，沉积于低折射率衬底1抛光面上，每一个圆柱阵列的单元包含两个直径为200nm，高为150nm的圆柱颗粒，这两个圆柱颗粒的相互紧挨。
[0021] 低折射率的衬底层1为折射率范围在1.4到1.8之间。低折射率的衬底层1为如SiO2或者K9玻璃。图3为本发明的结构的吸收谱线图，该结构的的Au纳米阵列不仅具有传统的Au纳米粒子阵列的表面等离子体效应，同时由于其特殊的结构，其在不同的位置都是有共振吸收峰，同时共振峰的半高宽也比较大。由于在我们使用的CARS信号的光路中ωp＝ωpr，对于单个光束通过结构的强度放大倍数为g＝I出/I入，其中，I入为入射的该束光的强度，I出为出射时该束光的强度。这样对于SECARS信号而言，其增强因子为GSECARS，gp＝gpr其增强幅度可2
以表示为：GSECARS＝gpgprgasgs＝gpgasgs其中，gp为泵浦光或者探测光的放大倍数，gas为反斯托克斯光的放大倍数，gs为斯托克斯光的放大倍数。可以看到，这几个光的波长位于不同的位置，要想实现SECARS信号的最大幅度增强，就需要使这些光都能处于表面等离子体共振吸收峰的附近。
以表示为：GSECARS＝gpgprgasgs＝gpgasgs其中，gp为泵浦光或者探测光的放大倍数，gas为反斯托克斯光的放大倍数，gs为斯托克斯光的放大倍数。可以看到，这几个光的波长位于不同的位置，要想实现SECARS信号的最大幅度增强，就需要使这些光都能处于表面等离子体共振吸收峰的附近。
[0022] 图3所示的本发明的吸收谱线图可以很好的满足SECARS信号增强的要求，在泵浦光为1064nm时，斯托克斯光ωs和反斯托克斯光ωas基本都会处于共振吸收峰的附近，被测量物质的SECARS信号会得到大幅度的增强。
[0023] 图4为传统的Au胶体颗粒用于表面增强相干反斯托克斯拉曼散射的吸收谱线图。与我们所设计的结构的吸收谱线相比，吸收谱线在800nm以后基本没有共振吸收效果，很难实现大幅度的表面增强相干反斯托克斯拉曼散射。
[0024] 综上所述，本发明所设计的非对称的Au纳米圆柱阵列，具有多共振吸收峰和吸收峰半高宽大的优点，其可以实现SECARS信号的大幅度增强，在生物监测和医学方面都具有广阔的前景。
[0025] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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