[实用新型]用于SERS微腔结构的制备装置

说明书

用于SERS微腔结构的制备装置，属于等离激元纳米光子器件技术领域。用于在空芯光纤内壁实现三维SERS的自动加工，控制激发光垂直于空心光纤长轴聚焦在外壁，通过控制电机的直进与旋转可以控制激光对空心光纤内壁上金属薄膜的加工路径，实现在空心光纤内壁组装较长的连续均匀的金属等离激元微纳结构。通过柔性材料的连接及刚性板材上双同心孔的限位，可实现光纤的同轴转动，保证激光加工的均匀性。

技术领域

本实用新型属于等离激元纳米光子学和传感器技术领域。提出一种分布于空芯光纤内壁的三维等离激元纳米结构的激光加工装置，用于实现高灵敏度SERS传感和痕量检测技术。

背景技术

金属等离激元微纳结构由于其优异的光学响应特性在各个领域都得到了广泛的应用。这种微纳结构将光场局域在金属纳米结构周围纳米尺度的范围内，突破传统光学的衍射极限，使得纳米尺度光操控成为可能。基于此，一种利用金属纳米线上的表面等离激元干涉场作为激发源的超分辨激发和成像方法被开发出来，由于表面等离激元干涉条纹的周期远小于激发光波长，这种方法具有突破衍射极限的光学分辨率。金属纳米结构表面的电磁场可以被极大地增强，从而促进光与物质的相互作用。如果将光场局域在间距很小的纳米颗粒间隙内，光场得到增强，从而对处于该间隙内的待测分子拉曼信号进行十几个数量级的增强，具有这类性质的金属等离激元微纳结构也称为 SERS(Surface Enhanced RamanScattering)结构，在微含量物质检测方面具有非常明显的优势和广泛的应用。

包括SERS基底在内的金属等离激元微纳结构的制备是等离激元光物理学研究及应用的前提和基础，探究能满足不同要求的制备技术对于推动纳米光子学研究的发展具有十分重要的意义。目前，已经有多种发展成熟的金属等离激元微纳结构的制备方法，有“自上而下”减材制造的物理方法，如电子束刻蚀、聚焦离子束加工技术、激光加工技术、激光干涉灼蚀直写、纳米压印技术、自组装加工、干涉光刻结合光还原等；还有“自下而上”从底部开始构造结构的化学合成方法，如在稀溶液中还原金属复合物从而制备金属角质分散体，利用化学合成法可以实现多种金属等离激元微纳结构的制备。

在各个领域中，上述制备方法制备的SERS器件主要是基于平面基底或具有较为复杂的三维结构基底，如，利用电子束光刻结合刻蚀溅射的方法制备二维的倒金字塔形金属凹槽阵列。由于液体样品中分子浓度较低且不易迁移，直接对其进行SERS检测一直是一个难题。更重要的是，液体的深度或厚度一般在毫米甚至厘米数量级，而SERS 效应的相互作用距离在100nm数量级。基于空芯光纤的金属等离激元微纳结构的制备和应用也是一个研究的热点，空芯光纤在传导光场及允许液体流通方面具有很大的优势。在空芯光纤内，不仅光场被局域在微纳尺度内，大量液态物质也被局限在该尺度内，从而大大提高了光与物质的相互作用。研究者们将等离激元微纳结构与空芯光纤结合，制备出了各种各样的等离激元纳米光子器件，且具有良好的性能。 Shanthil等人将具有不同厚度(2～25nm)二氧化硅壳层的Ag@SiO₂纳米粒子(Ag～60nm)组装在空芯光纤内壁上，组装有纳米粒子的空芯光纤长度超过2cm，覆盖范围内连续且均匀。该器件内表面的粒子密度对拉曼信号的增强起着决定性的作用，当～30Ag@SiO₂/μm²被束缚在空芯光纤内壁上时，产生了多个热点。多芳香烃(芘)、氨基酸(色氨酸)、蛋白质(牛血清白蛋白)等多种物质的检测表明，制备有Ag@SiO₂等离激元微纳结构的空芯光纤对分子的检测具有广泛适用性(M.Shanthil,et al.ACSApplied Materials Interfaces 9, 19470-19477(2017))。

尽管如此，在空芯光纤内壁构造大面积且连续均匀的等离激元微纳结构仍是一个挑战，多种较为成熟的如电子束曝光、干涉光刻等方法无法与空芯光纤基底有效结合从而制备在较长长度内连续均匀的微纳结构。

实用新型内容