[發明專利]一種基于光子晶體缺陷模式實現受激拉曼探測方法

無效

• 申請號: 201310384857.3
• 申請日: 2013-08-29
• 公開（公告）號: CN103487424A
• 公開（公告）日: 2014-01-01
• 發明（設計）人: 吳一輝;余慕欣
• 申請（專利權）人: 中國科學院長春光學精密機械與物理研究所
• 主分類號: G01N21/65
• 分類號: G01N21/65
• 代理公司: 長春菁華專利商標代理事務所 22210
• 代理人: 張偉

技術領域

本發明屬于微納技術領域，涉及一種基于光子晶體缺陷模式實現受激拉曼探測方法。

背景技術

拉曼散射于1928年由印度科學家C.V.Raman首次發現。通過光與物質的相互作用，分子轉動和振動的特異信息映射到拉曼散射光譜的斯托克斯（Stokes）和反斯托克斯（anti-Stokes）譜線上，因此拉曼光譜又被稱為分子的指紋圖譜，被廣泛應用于分子識別。直接激勵被測分子的拉曼圖譜得到的響應信號非常微弱，大約為入射光強的10^-6倍，不易于探測，因此如何增強拉曼響應信號成為推動拉曼圖譜技術走向實用化的關鍵研究內容之一。

1962年，E.J.Wood和W.K.Ng首次在紅寶石中觀察到受激拉曼散射（Stimulated?Raman?Scatter，SRS）現象：拉曼散射的斯托克斯光強劇烈增加，并表現出受激輻射的特點。目前，SRS激勵的方法是：通過兩束激光泵浦光與誘導光作用到生物分子樣品中，在兩束光的頻率嚴格滿足共振條件Ω_r＝ω_p-ω_s的前提下，對其共線激發。由于光和分子的相互作用，入射光強發生受激拉曼損失與增益（Stimulated?Raman?Loss，SRL；Stimulated?Raman?Gain，SRG）效應，能量將會在泵浦光和誘導光上重新分配，泵浦光強度降低ΔI_p同時誘導光強度增加ΔI_s：

ΔI_p∝N×σ×I_p×I_s；

ΔI_s∝-N×σ×I_p×I_s；

其中，N為樣本濃度，σ為拉曼散射截面。SRS光譜與自發拉曼散射光譜是完全一致的，可以直接利用拉曼光譜數據庫來進行組分分析，從而判斷樣本組成成分。并且SRS信號強度能夠比自發拉曼信號強度大很多數量級，這解決了自發拉曼信號微弱不利探測的問題。

為實現對被測樣品的受激拉曼檢測，大功率、可調諧激光器成為關鍵器件之一。目前一般采用同步輻射光源（Synchronized?bulky?laser）和光學參量振蕩器（Optical?parametric?oscillators）作為誘導光源。但是他們成本高、體積大，不便于小型化和集成化，限制了其實用性。

發明內容

為了解決現有技術存在的問題，本發明提出通過利用光子晶體納米諧振腔高Q值及可調諧的特性替代受激拉曼探測中的可調大功率激光器的一種小體積、低成本及高效率的方法。同時，通過對泵浦光與誘導光強度變化分析能夠同時實現對生物樣本濃度高靈敏度、高分辨率的探測。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案如下：

一種基于光子晶體缺陷模式實現受激拉曼探測方法，該方法的步驟如下：

步驟一：設計一種具有高Q值（105～106），高靈敏度（RIU>700）和寬波長選擇區間（Δλ>50nm）的帶缺陷結構的平板光子晶體；

步驟二：在缺陷結構上搭建檢測系統，通過改變被測環境溶液折射率調節光子晶體缺陷結構納米諧振腔共振頻率，在發生受激拉曼散射的頻率上測量拉曼位移以及光強變化；

步驟三：利用拉曼光譜數據庫進行組分分析，通過拉曼位移判斷樣本組成成分；通過光強變化量獲得樣本濃度，實現利用光子晶體缺陷模式實現對被測樣本的受激拉曼檢測。

發明原理：本發明利用光子晶體缺陷結構高Q值的特性來實現對外部低功率復合光源進行內增益，解決功率問題；利用光子晶體缺陷結構高靈敏度的特征，通過改變環境折射率來調諧增益波長，解決可調諧問題。

本發明有益效果：平板光子晶體以及諧振腔替代傳統誘導光源器件具有體積小、成本低、易集成和實用化的特點。它的腔填充體積非常小為微升量級，利用這種結構進行拉曼光譜探測能夠極大的節約被測試劑的用量。陣列化的設計制備微納體結構能夠實現對被測試劑不同拉曼譜線的同時探測，簡化了探測流程。光纖近場接受激勵信號減小了遠場雜散光的影響，提高了拉曼信號的信噪比。同時本方法可同時獲得被測試劑的折射率和拉曼光譜，具有生物傳感和拉曼譜分析的能力，能夠有效提高探測的靈敏度。最后人工微納結構具有可控性，能夠保證同一批次或不同批次結構的一致性、重復性、穩定性，保證了本發明用于探測的重復性、穩定性和可靠性。

附圖說明

圖1光子晶體納米諧振腔受激拉曼探測原理圖。

圖2光子晶體納米諧振腔結構圖。