【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及针尖增强拉曼，具体为一种光纤探针内激发强电场梯度场探测拉曼禁跃迁态的装置及方法。
技术介绍
1、表面等离激元纳腔，因其纳米尺度内的强电场及强电场梯度特性，不仅可以实现等离子体结构的强光吸收和散射增强，还可以应用高对比度无标记生物成像以及各类强电场增强的光学效应，例如，光致发光、相干非线性过程、表面增强拉曼散射、针尖增强拉曼散射等。迄今为止，已经制备出了多种金属纳腔结构，其中包括单个球形、纳米棒、纳米立方体、纳米球二聚体/三聚体等。利用多个纳米颗粒多聚体狭窄的间隙使其具备相比于单个纳米颗粒更强的束缚光场的能力，进而实现更强的电场增强。例如，研究金属纳米粒子二聚体的键合和反键合等离子体模式以及金属纳米粒子低聚物的等离子体法诺共振，上述制备方式虽然可以灵活的设计几何结构，但普遍获得的纳米间隙在15nm以上，无法制备出亚纳米腔的金属纳米结构，随着研究的不断深入，研究者们发现利用针尖增强纳米光谱的技术可以有效解决上述问题。
2、传统的针尖增强拉曼光谱技术常将贵金属作为针尖，且侧向激发的方式下，能利用效率低，有较强的背景噪声。通过金属化光纤内激发的方式，可以在针尖尖端产生强梯度场，利用具有强电场梯度的纳腔，可以实现分子拉曼禁止跃迁态的高效激发。常规拉曼光谱术中，分子受均匀光场激发，拉曼散射效应由电偶极矩主导，电四极等更高级次的极矩跃迁被忽略，这是常规拉曼选择定则。总之，利用常规拉曼光谱术，探测不到分子的一些重要跃迁谱线，如电四极、磁偶极等跃迁等。该类拉曼禁止跃迁态的缺乏，使得全面描绘分子结构的物理图像变得非常困难。
技术实现思路
1、常见的强梯度场构建方式激发光源和信号光没有物理空间上的分离，因而会有较大的背景噪声，此外，缺乏主动调控纳腔间隙的方式使得常规拉曼光谱术无法探测到拉曼禁止跃迁态，针对该问题，本专利技术基于金属化光纤内激发结合扫描隧道显微镜，提出一种光纤探针内激发强电场梯度场探测拉曼禁跃迁态的装置及方法。本专利技术中，利用可调谐声致光栅法在光纤中直接产生径向矢量光，利用柱状矢量光作为金属化光纤激发光，结合扫描隧道显微镜将金属化光纤探针尖端逼近金单晶薄膜，增强光与物质相互作用，从而能够获得常规拉曼下无法获得的强电场梯度，进而探测到分子样品的拉曼禁止跃迁态。
2、具体而言：
3、利用可调谐声致光纤光栅在光纤中直接产生径向矢量光：通过调节入射线偏光的偏振方向和射频信号发生器的频率及振幅，实现光纤内基模与高阶模式的相位匹配，获得光纤中的径向矢量光场。
4、利用高ters活性的金属化光纤探针逼近金单晶(111)表面：该探针的制备方式为先氢氟酸刻蚀为针尖，后采用磁控溅射的方式批量镀膜形成金属化光纤探针；并结合扫描隧道显微镜将金属化光纤调控至金单晶表面1nm位置处，利用针尖尖端处径向矢量光的偏振特性，可以在尖端和单晶表面构建出强的电场梯度，通过控制扫描隧道中的隧穿电流的大小，可进一步主动调控间隙的大小至0.1nm～1nm之间，进而实现间隙中样品的拉曼禁止跃迁态的高效主动调控激发。
5、本专利技术的技术方案为：
6、一种光纤探针内激发强电场梯度场探测拉曼禁跃迁态的装置，其特征在于：包括光纤内激发系统、扫描隧道显微镜以及拉曼信号采集模块；
7、所述光纤内激发系统利用可调谐声致光纤光栅法在金属化光纤探针中直接产生径向矢量光；
8、通过所述扫描隧道显微镜能够利用恒流模式驱动将金属化光纤探针逼近样品单晶基底，产生强电场梯度的纳米纳腔，激发出样品的拉曼禁止跃迁态信号，并利用所述拉曼信号采集模块采集得到所需的拉曼禁止跃迁信号。
9、进一步的，所述光纤内激发系统包括入射光路和调制光路；所述入射光路包括激光光源、半波片和偏振片；调制光路包含光纤耦合器、滤模器、超声波发生器、射频信号发生器、被调制光纤以及金属化光纤探针；
10、通过激光光源产生窄线宽的单波长激发光，并通过半波片和偏振片对入射线偏光进行偏振调控，聚焦耦合到光纤滤模器中过滤光纤中产生的额外高频成分，剩余的基模由超声波发生器的加载声波信号，其中声波信号由射频信号发生器产生射频信号驱动超声波发生器产生。产生的超声波耦合到光纤中传输，在光纤中形成线偏光栅进行调制，从而将纤芯中的基模转换为径向矢量光场。
11、进一步的，所述金属化光纤探针利用氢氟酸刻蚀方法和磁控溅射法制备得到：采用氢氟酸刻蚀的方式在光纤末端制备出光纤锥，再将光纤锥尖放置于真空腔中，采用磁控溅射的方式在光纤锥表面镀贵金属银，得到金属化光纤探针。
12、进一步的，氢氟酸刻蚀参数为：氢氟酸的浓度为40％，刻蚀时间65分钟，刻蚀温度22℃；磁控溅射参数为：腔体真空度：8×10-4pa，溅射真空度：0.6pa，氩气流量100sccm，溅射功率200w，基底温度300k，溅射时间30s。
13、进一步的，金属化光纤探针利用导电胶和紫外固化胶粘接到扫描隧道显微镜的夹持器上。
14、进一步的，固定金属化光纤探针的过程为：利用三维位移台控制将金属化光纤探针直接接触夹持器导电部位后使用导电胶将二者固定，在导电胶表面涂上一层紫外固化胶进行再次固化。
15、进一步的，导电胶为碳胶，紫外固化胶型号为noa83，紫外灯照射时长为3分钟。
16、进一步的，拉曼信号采集模块包括侧向物镜14、长波通带边滤波片17、光纤适配器18和拉曼光谱仪16；激发出的样品的拉曼禁止跃迁态信号和激发光被侧向物镜收集准直，利用长波通带边滤波片除去激发光，所需的拉曼禁止跃迁信号经过光纤适配器后进入拉曼光谱仪被采集。
17、利用上述装置实现拉曼禁跃迁态探测的方法：开启光纤内激发系统，射频信号经由超声波发生器耦合到光纤中传输，通过改变射频信号的振幅、频率和旋转半波片使得光纤中的线偏光满足模式匹配条件转换为径向矢量光，并从熔接后的金属光纤探针尖端出射；扫描隧道显微镜驱动金属光纤探针尖端逼近金单晶薄膜表面时，会产生强电场梯度的纳米纳腔，高效激发出样品的拉曼禁止跃迁态信号，拉曼禁止跃迁信号和激发光被侧向物镜收集准直，利用长波通带边滤波片除去激发光，所需的拉曼禁止跃迁信号经过光纤适配器后进入拉曼光谱仪被采集。
18、进一步的，扫描隧道显微镜驱动金属光纤探针尖端逼近金单晶薄膜表面的过程为：开启扫描隧道显微镜，将扫描隧道显微镜的恒流模式电流设置为0.1na，偏压为+0.1v，增益为0.1，采用恒流模式进行下针，下针的最小速度设置为1nm/s。
19、有益效果
20、本专利技术提出的一种光纤探针内激发强电场梯度场探测拉曼禁跃迁态的方法，利用径向矢量光场作为激发光源，从光线内部逐渐耦合、演化及聚焦到镀膜光纤针尖尖端形成强纳米聚焦光源，同时结合扫描隧道显微镜将金属化光纤逼近金单晶基底，从而产生了强电场及强电场梯度的等离激元纳腔。
21、本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种光纤探针内激发强电场梯度场探测拉曼禁跃迁态的装置，其特征在于：包括光纤内激发系统、扫描隧道显微镜以及拉曼信号采集模块；
2.根据权利要求1所述一种光纤探针内激发强电场梯度场探测拉曼禁跃迁态的装置，其特征在于：所述光纤内激发系统包括入射光路和调制光路；所述入射光路包括激光光源、半波片和偏振片；调制光路包含光纤耦合器、滤模器、超声波发生器、射频信号发生器、被调制光纤以及金属化光纤探针；
3.根据权利要求1或2所述一种光纤探针内激发强电场梯度场探测拉曼禁跃迁态的装置，其特征在于：所述金属化光纤探针利用氢氟酸刻蚀方法和磁控溅射法制备得到：采用氢氟酸刻蚀的方式在光纤末端制备出光纤锥，再将光纤锥尖放置于真空腔中，采用磁控溅射的方式在光纤锥表面镀贵金属银，得到金属化光纤探针。
4.根据权利要求3所述一种光纤探针内激发强电场梯度场探测拉曼禁跃迁态的装置，其特征在于：氢氟酸刻蚀参数为：氢氟酸的浓度为40％，刻蚀时间65分钟，刻蚀温度22℃；磁控溅射参数为：腔体真空度：8×10-4Pa，溅射真空度：0.6Pa，氩气流量100SCCM，溅射功率200W，基底
5.根据权利要求1所述一种光纤探针内激发强电场梯度场探测拉曼禁跃迁态的装置，其特征在于：金属化光纤探针利用导电胶和紫外固化胶粘接到扫描隧道显微镜的夹持器上。
6.根据权利要求5所述一种光纤探针内激发强电场梯度场探测拉曼禁跃迁态的装置，其特征在于：固定金属化光纤探针的过程为：利用三维位移台控制将金属化光纤探针直接接触夹持器导电部位后使用导电胶将二者固定，在导电胶表面涂上一层紫外固化胶进行再次固化。
7.根据权利要求6所述一种光纤探针内激发强电场梯度场探测拉曼禁跃迁态的装置，其特征在于：导电胶为碳胶，紫外固化胶型号为NOA83，紫外灯照射时长为3分钟。
8.根据权利要求1所述一种光纤探针内激发强电场梯度场探测拉曼禁跃迁态的装置，其特征在于：拉曼信号采集模块包括侧向物镜14、长波通带边滤波片17、光纤适配器18和拉曼光谱仪16；激发出的样品的拉曼禁止跃迁态信号和激发光被侧向物镜收集准直，利用长波通带边滤波片除去激发光，所需的拉曼禁止跃迁信号经过光纤适配器后进入拉曼光谱仪被采集。
9.利用权利要求1-7任一所述装置实现拉曼禁跃迁态探测的方法，其特征在于：开启光纤内激发系统，射频信号经由超声波发生器耦合到光纤中传输，通过改变射频信号的振幅、频率和旋转半波片使得光纤中的线偏光满足模式匹配条件转换为径向矢量光，并从熔接后的金属光纤探针尖端出射；扫描隧道显微镜驱动金属光纤探针尖端逼近金单晶薄膜表面时，会产生强电场梯度的纳米纳腔，高效激发出样品的拉曼禁止跃迁态信号，拉曼禁止跃迁信号和激发光被侧向物镜收集准直，利用长波通带边滤波片除去激发光，所需的拉曼禁止跃迁信号经过光纤适配器后进入拉曼光谱仪被采集。
10.根据权利要求9所述方法，其特征在于：扫描隧道显微镜驱动金属光纤探针尖端逼近金单晶薄膜表面的过程为：开启扫描隧道显微镜，将扫描隧道显微镜的恒流模式电流设置为0.1nA，偏压为+0.1V，增益为0.1，采用恒流模式进行下针，下针的最小速度设置为1nm/s。
...【技术特征摘要】
1.一种光纤探针内激发强电场梯度场探测拉曼禁跃迁态的装置，其特征在于：包括光纤内激发系统、扫描隧道显微镜以及拉曼信号采集模块；
2.根据权利要求1所述一种光纤探针内激发强电场梯度场探测拉曼禁跃迁态的装置，其特征在于：所述光纤内激发系统包括入射光路和调制光路；所述入射光路包括激光光源、半波片和偏振片；调制光路包含光纤耦合器、滤模器、超声波发生器、射频信号发生器、被调制光纤以及金属化光纤探针；
3.根据权利要求1或2所述一种光纤探针内激发强电场梯度场探测拉曼禁跃迁态的装置，其特征在于：所述金属化光纤探针利用氢氟酸刻蚀方法和磁控溅射法制备得到：采用氢氟酸刻蚀的方式在光纤末端制备出光纤锥，再将光纤锥尖放置于真空腔中，采用磁控溅射的方式在光纤锥表面镀贵金属银，得到金属化光纤探针。
4.根据权利要求3所述一种光纤探针内激发强电场梯度场探测拉曼禁跃迁态的装置，其特征在于：氢氟酸刻蚀参数为：氢氟酸的浓度为40％，刻蚀时间65分钟，刻蚀温度22℃；磁控溅射参数为：腔体真空度：8×10-4pa，溅射真空度：0.6pa，氩气流量100sccm，溅射功率200w，基底温度300k，溅射时间30s。
5.根据权利要求1所述一种光纤探针内激发强电场梯度场探测拉曼禁跃迁态的装置，其特征在于：金属化光纤探针利用导电胶和紫外固化胶粘接到扫描隧道显微镜的夹持器上。
6.根据权利要求5所述一种光纤探针内激发强电场梯度场探测拉曼禁跃迁态的装置，其特征在于：固定金属化光纤探针的过程为：利用三维位移台控制将金属化光纤探针直接接触夹持器导电部位后...
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