[发明专利]双脉冲涡旋飞秒激光制备级联增强SERS基底的方法

说明书

本发明涉及一种双脉冲涡旋飞秒激光制备级联增强SERS基底的方法，属于激光应用技术领域。该方法制备的SERS基底由贵金属纳米颗粒、微针尖、微透镜三种结构组成。首先利用时空协同整形的涡旋脉冲序列在硅表面制备出微凹面‑微针尖复合结构，通过调节脉冲延时优化激光能量的沉积可以实现微凹面曲率的灵活调节。经过后续贵金属薄膜沉积，微凹面结构的反射率大大提高可以作聚焦微透镜，且在微针尖表面会附着大量贵金属纳米颗粒。通过调节微凹面曲率将入射激光汇聚到微针尖顶端，提高微针尖附近的局部激光能量密度，从而提高针尖纳米颗粒的局域表面等离子体共振强度，起到级联增强效果，达到提高拉曼散射信号强度的目的。

技术领域

本发明涉及一种双脉冲涡旋飞秒激光制备级联增强SERS基底的方法，属于激光应用技术领域。

背景技术

拉曼光谱利用激光照射到目标分子表面时产生的散射信号来揭示被检测物质的分子结构信息，具有较高的灵敏度，被广泛应用于生物分析领域。然而，当目标分子浓度较低时，返回的拉曼光谱信号很弱，导致无法准确获取低浓度分子的结构信息。1977年，研究人员发现附着在粗糙银电极表面的吡啶分子的拉曼光谱信号相比于分散在溶液中的吡啶分子得到了显著增强，并将其归因于银电极结构局域表面等离子体共振引起的电磁场增强，表面增强拉曼散射(SERS)技术应运而生。近年来，基于贵金属纳米结构的近场增强效应，研究人员开发了许多不同类型的SERS结构，如贵金属纳米颗粒、纳米尖、纳米缝隙电极等。然而、传统的粗糙化贵金属纳米颗粒(金、银等)SERS基底虽然能够获得10⁶的信号增强，但由于纳米颗粒的随机分布特性，导致拉曼光谱信号的一致性较差。而贵金属纳米尖、纳米缝隙电极的制备需要使用电子束光刻、紫外光刻、聚焦离子束等方法，加工成本高昂且效率较低。探索一种高效率、低成本、可靠的实现SERS基底制备工艺具有重要实际应用意义。

飞秒激光由于其精度高、材料适用范围广、极高的加工灵活性等特点被广泛应用于微纳米结构制造领域。同时这种加工方法对于环境友好、操作简单因而具有良好的而加工稳定性与加工精度。但传统的高斯形激光难以实现复杂纳米结构阵列的一步制备，而飞秒激光时空结合整形技术通过在空间与时间上调控激光能量沉积过程，可以实现在材料表面复杂、高精度结构制备。

发明内容

本发明的目的是为了解决低浓度分子的拉曼检测信号强度弱的问题，提供一种双脉冲涡旋飞秒激光制备级联增强SERS基底的方法。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

首先利用时空协同整形的涡旋脉冲序列在硅表面制备出微凹面-微针尖复合结构；通过调节脉冲延时优化激光能量的沉积可以实现微凹面曲率的灵活调节；经过后续贵金属薄膜沉积，微凹面结构的反射率大大提高可以作聚焦微透镜，且在微针尖表面会附着大量贵金属纳米颗粒；调节微凹面镜曲率可以灵活的将入射激光汇聚到微针尖顶端，提高微针尖附近的局部激光能量密度，从而进一步提高针尖纳米颗粒的局域表面等离子体共振强度，起到级联增强效果，从而提高拉曼散射信号的强度。具体实施步骤如下：

(1)搭建空间时空协同整形加工系统，将常规高斯飞秒激光整形成双脉冲涡旋飞秒激光；

(2)利用机械快门和衰减片分别控制激光脉冲的能量。通过调节双脉冲的时域延时，在不改变激光能量的情况下控制硅材料对激光能量的吸收效率；

(3)利用整形后的双脉冲涡旋光束辐照样品。被激光辐照区域的材料首先被融化，并在表面张力的驱动下向着中心光场强度为零的区域流动，形成微凹面-微针尖复合结构；

(4)通过调节双脉冲的延时改变材料对激光能量的吸收效率，改变被激光融化的材料体积，从而改变所形成的微凹面结构的曲率半径；

(5)使用电子束蒸镀在微凹面-微针尖复合结构表面沉积一层贵金属薄膜，微凹面结构的反射率大大提高可以用作聚焦微透镜。微针尖由于结构陡峭，其表面无法形成连续薄膜而会形成大量纳米颗粒，最终形成微凹面-微针尖-纳米颗粒复合结构SERS基底。