[發明專利]表面增強的相干反斯托克斯拉曼散射的結構

在審

• 申請號: 201610114792.4
• 申請日: 2016-03-01
• 公開（公告）號: CN105576497A
• 公開（公告）日: 2016-05-11
• 發明（設計）人: 宋國峰;張祖銀;韋欣;徐云;宋玉志;宋甲坤
• 申請（專利權）人: 中國科學院半導體研究所
• 主分類號: H01S3/30
• 分類號: H01S3/30
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 湯保平

技術領域

本發明涉及集成光電子技術領域，具體涉及一種表面增強的相干反斯 托克斯拉曼散射(SECARS)的結構。

背景技術

光學方法在生命科學研究中占有重要的地位，隨著20世紀60年代激 光器的發明，高強度的理想光源大大推動了這一領域的發展。熒光顯微技 術已經能夠擁有高時間分辨率、空間分辨率和高的探測靈敏度，但是外加 的熒光標記對生物細胞自身的影響，以及熒光團自身的光致漂白損傷都是 無法回避的問題。于是基于物質分子固有的分子振動光譜信號的非侵入顯 微成像技術就引起了人們的廣泛關注，其中拉曼散射就是其中的一個典型 例子。光學拉曼光譜信息豐富、對樣品無損傷，使得其在化學、材料、物 理、生物、地質、醫藥等領域都存在廣泛的應用。然而，由于Raman散射 的散射信號強度很低，散射截面僅僅只有10^-30cm²/分子，散射效率只有 10¹⁰∶1，這與傳統的熒光譜線的強度有很大的差距，這就大大制約了Raman 散射的應用。

傳統測量的Raman信號是Raman散射里面的斯托克斯線，其測量簡單 方便，但是熒光背景干擾對其分辨率有很大影響。而Raman信號的另一個 分支-反斯托克斯線，由于其頻率相對于入射光而言會變高，是發生藍移 的，這樣它就自然的不存在背景的熒光干擾。

相干反斯托克斯Raman散射(CARS)信號由于其相干性，信號強度相 對傳統的Raman信號有了大幅度提高，具有很大的應用前景。然而，CARS 信號的測量相對來說比較復雜，為了提升其競爭力，我們就需要進一步提 升CARS信號的強度。表面等離子體極化激元(SPP)由于其獨特的共振效 應，經過表面等離子體結構散射的光在其等離子體共振的波長范圍內會得 到成倍的增強。而CARS信號是一個四波混頻的三階非線性光學過程，包 括泵浦光ω_p，斯托克斯光ω_s和探測光ω_pr。如果要使SECARS信號得到最 大程度的增強，就需要使泵浦光ω_p、斯托克斯光ω_s、探測光ω_pr和反斯 托克斯光ω_as都得到增強，這也是SECARS信號增強需要解決的問題。

發明內容

鑒于上述技術問題，本發明提供了一種表面增強的相干反斯托克斯拉 曼散射的結構，其是非對稱的Au納米陣列來實現SECARS信號增強的結構。

根據本發明的一個方面，提供了一種表面增強的相干反斯托克斯拉曼 散射的結構，其是非對稱的Au納米陣列來實現SECARS信號增強的結構， 該結構包括：低折射率的襯底層，非對稱的Au納米圓柱陣列。其中，低 折射率的襯底層的折射率的范圍在1.4到1.8之間，厚度為200nm到 400nm。非對稱的Au納米圓柱陣列中的每個單元包含兩個直徑為150到 300nm，高為100到200nm的圓柱顆粒，這兩個圓柱顆粒相互緊挨。同時， 整個結構在納米圓柱陣列上的XY平面上X和Y方向上結構并不相同，而 兩個Au納米圓柱顆粒相互靠近，有很強的光場耦合效應。如果超出范圍， 最后得到共振曲線的范圍就會變窄或者偏離探測所需要的共振增強范圍。

從上述技術方案可以看出，本發明的表面增強的相干反斯托克斯拉曼 散射結構具有以下有益效果：

(1)通過非對稱的Au納米圓柱陣列的表面等離子體效應可以有效的 提高CARS信號的強度。

(2)該非對稱的Au納米圓柱陣列可以實現多位置，寬范圍波段的共 振增強，使得CARS信號的泵浦光ω_p、斯托克斯光ω_s、探測光ω_pr和反斯 托克斯光ω_as都得到增強，進而可以更大限度的增強CARS信號。

附圖說明

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實 施例，并參照附圖，對本發明進一步詳細說明，其中：

圖1為本發明為本發明的一個示例性的實施例的XZ面的二維示意圖；

圖2為為本發明該實施例的XY面的二維示意圖；

圖3為本發明的結構的吸收譜線圖；

圖4為傳統的Au膠體顆粒用于表面增強相干反斯托克斯拉曼散射的 吸收譜線圖。

附圖標記說明：