[发明专利]一种消逝场激发薄膜拉曼信号的增强方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及棱镜全反射技术、光波导技术及拉曼光谱技术，特别涉及一种消逝场激发薄膜拉曼信号的增强方法及装置。

背景技术

拉曼光谱技术同红外吸收光谱技术一样主要用于研究分子的振动，但是分子的拉曼光谱中包含了比分子红外吸收谱更加丰富的有关分子结构及性质的信息。通过研究分子的拉曼散射光谱可以确定分子的种类，获得分子的对称性质及其空间取向等信息。

拉曼光谱技术在应用中遇到的最大的问题来自于其固有的缺陷——拉曼信号极度微弱，因此已经发明了各种方法来增强这一微弱的信号。这些方法包括电子共振增强拉曼光谱技术、表面增强拉曼光谱(SERS)技术、等离激元增强拉曼光谱(PERS)技术和棱镜全反射拉曼技术(TIRR)等。全反射拉曼光谱技术对信号的增强作用有一个极大值点，位于棱镜全反射的临界角，然而此时的全反射条件很容易受到外界环境的影响而遭到破坏。因此在使用全反射拉曼技术时对入射角保有一定的余量虽然牺牲了一定的信号增强效果但可以确保全反射条件的满足。为增强大于临界角入射时棱镜全反射拉曼散射的信号强度，本发明采用调节棱镜表面覆盖层折射率的方法来增强其消逝场。

光纤及光波导利用光在一定厚度的高折射率层与周围低折射率介质之间的界面全反射对入射光进行约束，使其可以远程传播，主要应用于通信领域。本质上说，性能优异的光纤或光波导应该能够抵抗来自外界的多种干扰，对外界环境的变化响应越小越好。然而将其应用于传感及测量领域时就需要光纤及光波导对被测量有较高的灵敏度。通过对光纤或光波导结构的理性设计就可以使其兼顾传光及传感双重任务的要求，成为具有高灵敏度的传感测量元件。

利用光纤或光波导的消逝场来激发薄膜的拉曼信号就需要对光纤或光波导的结构进行优化设计以增强其表面消逝场的强度；另一方面，也可以通过调节光纤或波导表面覆盖层折射率来进一步提高消逝场的强度。本发明采用这两种方法来增强光纤及光波导消逝场，进而实现待测薄膜拉曼信号的增强。

发明内容

为解决棱镜全反射消逝场、光纤消逝场及光波导消逝场较弱，由其激发的待测薄膜拉曼信号极其微弱的问题，本发明提供了一种利用高折射率覆盖层材料来增强消逝场，进而增强待测薄膜拉曼信号的方法和装置。

根据本发明的一个方面，提出一种消逝场激发薄膜拉曼信号的增强装置，该装置包括：棱镜、待测薄膜、覆盖层以及拉曼散射光收集装置，其中所述待测薄膜形成于棱镜一底面，覆盖层置于待测薄膜上方，入射激光射入棱镜后在棱镜与待测薄膜之间的界面处发生全反射，伴随全反射在同一界面处产生消逝场，该消逝场穿透待测薄膜进入覆盖层，进而激发待测薄膜拉曼信号；通过增大覆盖层折射率增强在待测薄膜内的消逝场，进而增强待测薄膜拉曼信号，该增强的拉曼信号被拉曼散射光收集装置收集后传入拉曼光谱仪进行分析。

根据本发明的另一方面，提出一种光纤消逝场激发薄膜拉曼信号的增强装置，该装置包括：光纤、待测薄膜、覆盖层以及拉曼散射光收集装置，其中减薄或去除光纤局部区间的包层，将待测薄膜形成于该光纤区间，覆盖层置于待测薄膜上方，利用端面耦合方式将入射激光耦合进入光纤，伴随光在光纤芯层的传播在光纤表面产生消逝场，该消逝场穿透待测薄膜进入覆盖层，进而激发待测薄膜拉曼信号；通过增大覆盖层折射率增强在待测薄膜内的消逝场强度，进而增强待测薄膜拉曼信号，该增强的拉曼信号被拉曼散射光收集装置沿待测薄膜法线方向或从光纤一端面收集后传入拉曼光谱仪进行分析。

根据本发明再一方面，提出一种光波导消逝场激发薄膜拉曼信号的增强装置，该装置包括：光波导、待测薄膜、覆盖层、以及拉曼散射光收集装置，其中所述待测薄膜形成于光波导表面，覆盖层置于待测薄膜上方，利用端面耦合方式或光栅耦合方式或棱镜耦合方式将入射激光耦合进入光波导形成导波光，伴随导波光的传播在光波导表面产生消逝场，该消逝场穿透待测薄膜进入覆盖层，进而激发待测薄膜拉曼信号；通过增大覆盖层折射率增强在待测薄膜内的消逝场强度，进而增强待测薄膜拉曼信号，该增强的拉曼信号被拉曼散射光收集装置沿待测薄膜法线方向或从光波导一端面收集后传入拉曼光谱仪进行分析。

根据本发明的再一方面，提出了一种消逝场激发薄膜拉曼信号的增强方法，其中该方法利用高折射率材料覆盖待测薄膜，用以增强待测薄膜内部的消逝场，进而增强由消逝场激发的待测薄膜拉曼信号。

从上述技术方案可以看出，本发明消逝场激发表面薄膜拉曼信号的增强方法具有以下有益效果：