[發明專利]基于空芯光纖內壁的SERS微腔結構及其激光加工方法

在審

• 申請號: 202110045821.7
• 申請日: 2021-01-13
• 公開（公告）號: CN112782268A
• 公開（公告）日: 2021-05-11
• 發明（設計）人: 張新平;穆云云;李佳俊;劉淼
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G01N27/622
• 分類號: G01N27/622
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 張立改

基于空芯光纖內壁的SERS微腔結構及其激光加工方法，屬于屬于等離激元納米光子學和傳感器技術領域。提出了一種分布于空芯光纖內壁的三維等離激元納米結構激光加工方法，工藝過程的自動控制和高效，激光直寫加工可以批量制備新型SERS檢測基底。空芯光纖SERS基底大大提高SERS檢測信號的三維反饋與收集。

技術領域

本發明屬于等離激元納米光子學和傳感器技術領域。提出一種分布于空芯光纖內壁的三維等離激元納米結構的激光加工方法，用于實現高靈敏度SERS傳感和痕量檢測技術。

背景技術

金屬等離激元微納結構由于其優異的光學響應特性在各個領域都得到了廣泛的應用。這種微納結構將光場局域在金屬納米結構周圍納米尺度的范圍內，突破傳統光學的衍射極限，使得納米尺度光操控成為可能。基于此，一種利用金屬納米線上的表面等離激元干涉場作為激發源的超分辨激發和成像方法被開發出來，由于表面等離激元干涉條紋的周期遠小于激發光波長，這種方法具有突破衍射極限的光學分辨率。金屬納米結構表面的電磁場可以被極大地增強，從而促進光與物質的相互作用。如果將光場局域在間距很小的納米顆粒間隙內，光場得到增強，從而對處于該間隙內的待測分子拉曼信號進行十幾個數量級的增強，具有這類性質的金屬等離激元微納結構也稱為SERS(Surface Enhanced RamanScattering)結構，在微含量物質檢測方面具有非常明顯的優勢和廣泛的應用。

包括SERS基底在內的金屬等離激元微納結構的制備是等離激元光物理學研究及應用的前提和基礎，探究能滿足不同要求的制備技術對于推動納米光子學研究的發展具有十分重要的意義。目前，已經有多種發展成熟的金屬等離激元微納結構的制備方法，有“自上而下”減材制造的物理方法，如電子束刻蝕、聚焦離子束加工技術、激光加工技術、激光干涉灼蝕直寫、納米壓印技術、自組裝加工、干涉光刻結合光還原等；還有“自下而上”從底部開始構造結構的化學合成方法，如在稀溶液中還原金屬復合物從而制備金屬角質分散體，利用化學合成法可以實現多種金屬等離激元微納結構的制備。

在各個領域中，上述制備方法制備的SERS器件主要是基于平面基底或具有較為復雜的三維結構基底，如，利用電子束光刻結合刻蝕濺射的方法制備二維的倒金字塔形金屬凹槽陣列。由于液體樣品中分子濃度較低且不易遷移，直接對其進行SERS檢測一直是一個難題。更重要的是，液體的深度或厚度一般在毫米甚至厘米數量級，而SERS效應的相互作用距離在100nm數量級。基于空芯光纖的金屬等離激元微納結構的制備和應用也是一個研究的熱點，空芯光纖在傳導光場及允許液體流通方面具有很大的優勢。在空芯光纖內，不僅光場被局域在微納尺度內，大量液態物質也被局限在該尺度內，從而大大提高了光與物質的相互作用。研究者們將等離激元微納結構與空芯光纖結合，制備出了各種各樣的等離激元納米光子器件，且具有良好的性能。Shanthil等人將具有不同厚度(2～25nm)二氧化硅殼層的Ag@SiO₂納米粒子(Ag～60nm)組裝在空芯光纖內壁上，組裝有納米粒子的空芯光纖長度超過2cm，覆蓋范圍內連續且均勻。該器件內表面的粒子密度對拉曼信號的增強起著決定性的作用，當～30Ag@SiO₂/μm²被束縛在空芯光纖內壁上時，產生了多個熱點。多芳香烴(芘)、氨基酸(色氨酸)、蛋白質(牛血清白蛋白)等多種物質的檢測表明，制備有Ag@SiO₂等離激元微納結構的空芯光纖對分子的檢測具有廣泛適用性(M.Shanthil,et al.ACS AppliedMaterials Interfaces 9,19470-19477(2017))。

盡管如此，在空芯光纖內壁構造大面積且連續均勻的等離激元微納結構仍是一個挑戰，多種較為成熟的如電子束曝光、干涉光刻等方法無法與空芯光纖基底有效結合從而制備在較長長度內連續均勻的微納結構。

發明內容