[發明專利]金屬波導結構、基于金屬波導結構的拉曼散射調控方法

在審

• 申請號: 202110022079.8
• 申請日: 2021-01-08
• 公開（公告）號: CN112858253A
• 公開（公告）日: 2021-05-28
• 發明（設計）人: 鄧小燕;陸炎;施磊;劉雪玉;吳煒;陶雨濛;王磊
• 申請（專利權）人: 江蘇航運職業技術學院
• 主分類號: G01N21/65
• 分類號: G01N21/65;G01N21/01;G02B5/00
• 代理公司: 北京輕創知識產權代理有限公司 11212
• 代理人: 劉紅陽

本發明提供一種金屬波導結構，包括導波層、耦合層和襯底層，所述耦合層為沉積于導波層上表面的上層耦合膜，所述襯底層為沉積于導波層下表面的下層金屬膜，所述導波層由玻璃板和覆于其上的包含酞菁銅分子的聚甲基丙烯酸甲酯薄膜組成。本發明還提供一種基于金屬波導結構的拉曼散射調控方法，包括如下步驟：步驟一、計算金屬波導結構在TE和TM偏振激發下的ATR光譜；步驟二、通過改變玻璃板的厚度來改變導模在波導中的能量分布；步驟三、計算導模在不同厚度聚甲基丙烯酸甲酯薄膜中的電場分布與作用長度。本發明的研究內容為精密光譜強度的調制提供了一種新方法，或將促進未來金屬波導在新型光電子器件和芯片實驗室(Lab on a chip)方面的應用。

技術領域

本發明涉及物質探測技術領域，具體涉及一種金屬波導結構、基于金屬波導結構的拉曼散射調控方法。

背景技術

除了SERS以外，許多基于消逝場的波導結構被用于探索增強拉曼散射信號，它們都是利用在特定界面處的消逝場與探測物質增強的相互作用，這類結構的波導增強拉曼光譜具有很好的重復性，并且特別適合檢測生物大分子，這是區別于SERS技術的獨特優勢。

美國愛荷華州立大學的研究人員通過棱鏡耦合技術，在金屬-介質分界面上激發表面等離子共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)用于增強吡啶(Pyridine)分子和硝基苯(Nitrobenzene)的拉曼光譜，并根據入射角度的變化來調節拉曼散射信號。Y.Liu等人采用傳統的Kretschmann裝置激發金屬薄膜上的長程表面等離激元共振(Long-RangeSurface PlasmonResonance，LRSPR)來增強4-巰基吡啶(4-Mpy)分子的拉曼散射信號，獲得了相較于SPR光譜技術約15倍的增強，并且LRSPR的穿透深度超過500nm，在蛋白質、DNA等大分子檢測方面具有較大的潛力。耦合等離子波導共振(Coupled Plasmon-WaveguideResonance，CPWR)增強拉曼光譜技術對入射光的偏振性是無關的，可用來探測水溶性物質和聚合物薄膜，分析物質的化學特性和分子取向。光波導激發獨立的金屬納米粒子的局域表面等離子體共振(LSPR)可以實現拉曼散射的兩級增大，其拉曼增強因子可達10⁸-10¹²量級，與間隙型金屬納米顆粒的熱點相當，并且這種條件下納米顆粒的兩側都存在極強的電場，可用于探測較大的分析物，這是間隙型熱點所不具備的。

發明內容

本發明要解決的技術問題是提供一種金屬波導結構、基于金屬波導結構的拉曼散射調控方法，為精密光譜強度的調制提供了一種新方法，或將促進未來金屬波導在新型光電子器件和芯片實驗室(Lab on a chip)方面的應用。

為解決上述技術問題，本發明的實施例提供一種金屬波導結構，包括導波層、耦合層和襯底層，所述耦合層為沉積于導波層上表面的上層耦合膜，所述襯底層為沉積于導波層下表面的下層金屬膜，所述導波層由玻璃板和覆于其上的包含酞菁銅分子的聚甲基丙烯酸甲酯薄膜組成。

其中，所述下層金屬膜為下層銀膜，所述下層銀膜的厚度大于300nm。

其中，所述上層耦合膜為上層銀膜，所述上層銀膜的厚度為30nm。

優選的，所述玻璃板的厚度為0.17mm-2mm，所述聚甲基丙烯酸甲酯薄膜的厚度為7μm-23μm。

本發明還提供一種金屬波導結構的制備方法，包括如下步驟：

(1)將含有酞菁銅的三氯甲烷(CHCl₃)溶液滴在BK7玻璃板(10×10×1mm³)的中心位置，待室溫下晾干形成一個直徑約為6mm的藍色圓斑，制成導波層；

(2)上層銀膜和下層銀膜采用磁控濺射和真空蒸發方式沉積在導波層的兩側，制成金屬波導結構。