CN103487424A - 一种基于光子晶体缺陷模式实现受激拉曼探测方法 - Google Patents

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吴一辉
余慕欣
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Abstract

一种基于光子晶体缺陷模式实现受激拉曼探测方法属于微纳技术领域，步骤如下：设计一种具有高Q值，高灵敏度和宽波长选择区间的带缺陷结构的平板光子晶体。在缺陷结构上搭建检测系统，通过改变被测环境溶液折射率调节光子晶体缺陷结构纳米谐振腔共振频率，在发生受激拉曼散射的频率上测量拉曼位移以及光强变化；利用拉曼光谱数据库进行组分分析，通过拉曼位移判断样本组成成分；通过光强变化量获得样本浓度，实现本发明的检测。平板光子晶体以及谐振腔作为诱导光源器件具有体积小、成本低、易集成和实用化的优点。具有人工可控性保证了探测的重复性、稳定性和可靠性。能够同时实现对被测样本识别和浓度检测。

Description

一种基于光子晶体缺陷模式实现受激拉曼探测方法
技术领域
本发明属于微纳技术领域，涉及一种基于光子晶体缺陷模式实现受激拉曼探测方法。
背景技术
拉曼散射于1928年由印度科学家C.V.Raman首次发现。通过光与物质的相互作用，分子转动和振动的特异信息映射到拉曼散射光谱的斯托克斯（Stokes）和反斯托克斯（anti-Stokes）谱线上，因此拉曼光谱又被称为分子的指纹图谱，被广泛应用于分子识别。直接激励被测分子的拉曼图谱得到的响应信号非常微弱，大约为入射光强的10-6倍，不易于探测，因此如何增强拉曼响应信号成为推动拉曼图谱技术走向实用化的关键研究内容之一。
1962年，E.J.Wood和W.K.Ng首次在红宝石中观察到受激拉曼散射（Stimulated Raman Scatter，SRS）现象：拉曼散射的斯托克斯光强剧烈增加，并表现出受激辐射的特点。目前，SRS激励的方法是：通过两束激光泵浦光与诱导光作用到生物分子样品中，在两束光的频率严格满足共振条件Ωr＝ωp-ωs的前提下，对其共线激发。由于光和分子的相互作用，入射光强发生受激拉曼损失与增益（Stimulated Raman Loss，SRL；Stimulated RamanGain，SRG）效应，能量将会在泵浦光和诱导光上重新分配，泵浦光强度降低ΔIp同时诱导光强度增加ΔIs：
ΔIp∝N×σ×Ip×Is；
ΔIs∝-N×σ×Ip×Is；
其中，N为样本浓度，σ为拉曼散射截面。SRS光谱与自发拉曼散射光谱是完全一致的，可以直接利用拉曼光谱数据库来进行组分分析，从而判断样本组成成分。并且SRS信号强度能够比自发拉曼信号强度大很多数量级，这解决了自发拉曼信号微弱不利探测的问题。
为实现对被测样品的受激拉曼检测，大功率、可调谐激光器成为关键器件之一。目前一般采用同步辐射光源（Synchronized bulky laser）和光学参量振荡器（Optical parametric oscillators）作为诱导光源。但是他们成本高、体积大，不便于小型化和集成化，限制了其实用性。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提出通过利用光子晶体纳米谐振腔高Q值及可调谐的特性替代受激拉曼探测中的可调大功率激光器的一种小体积、低成本及高效率的方法。同时，通过对泵浦光与诱导光强度变化分析能够同时实现对生物样本浓度高灵敏度、高分辨率的探测。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
一种基于光子晶体缺陷模式实现受激拉曼探测方法，该方法的步骤如下：
步骤一：设计一种具有高Q值（105～106），高灵敏度（RIU>700）和宽波长选择区间（Δλ>50nm）的带缺陷结构的平板光子晶体；
步骤二：在缺陷结构上搭建检测系统，通过改变被测环境溶液折射率调节光子晶体缺陷结构纳米谐振腔共振频率，在发生受激拉曼散射的频率上测量拉曼位移以及光强变化；
步骤三：利用拉曼光谱数据库进行组分分析，通过拉曼位移判断样本组成成分；通过光强变化量获得样本浓度，实现利用光子晶体缺陷模式实现对被测样本的受激拉曼检测。
发明原理：本发明利用光子晶体缺陷结构高Q值的特性来实现对外部低功率复合光源进行内增益，解决功率问题；利用光子晶体缺陷结构高灵敏度的特征，通过改变环境折射率来调谐增益波长，解决可调谐问题。
本发明有益效果：平板光子晶体以及谐振腔替代传统诱导光源器件具有体积小、成本低、易集成和实用化的特点。它的腔填充体积非常小为微升量级，利用这种结构进行拉曼光谱探测能够极大的节约被测试剂的用量。阵列化的设计制备微纳体结构能够实现对被测试剂不同拉曼谱线的同时探测，简化了探测流程。光纤近场接受激励信号减小了远场杂散光的影响，提高了拉曼信号的信噪比。同时本方法可同时获得被测试剂的折射率和拉曼光谱，具有生物传感和拉曼谱分析的能力，能够有效提高探测的灵敏度。最后人工微纳结构具有可控性，能够保证同一批次或不同批次结构的一致性、重复性、稳定性，保证了本发明用于探测的重复性、稳定性和可靠性。
附图说明
图1光子晶体纳米谐振腔受激拉曼探测原理图。
图2光子晶体纳米谐振腔结构图。
图中：1、声光调制器，2、分色镜，3、物镜，4、光子晶体纳米谐振腔以及探测生物样品，5、锥型光纤，6、滤波片，7、反射镜，8、平板光子晶体和9、光子晶体谐振腔。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。
步骤一：设计并制备光子晶体缺陷结构，其具有高Q值105～106，高灵敏度RIU>700和宽波长选择区间Δλ>50nm，其中，制备光子晶体材料为硅或者III-V族半导体材料。光子晶体晶格形状可为正方形晶格、三角形晶格或者蜂窝型晶格。制备结构带有超高Q值、高折射率灵敏度谐振腔，谐振腔（与激励光源配合）可为单模或者多模谐振腔。其具有可调谐、高局域能量密度的特点。制备的结构根据实际需求可为单个带缺陷光子晶体或者带缺陷光子晶体阵列结构。光子晶体及其缺陷结构可通过利用纳米压印，双光子或者电子束光刻以及相应的刻蚀工艺实现。
步骤二：按照图1搭建检测系统，一束由泵浦激光器发出的光受声光调制器1调制后照射到分色镜2上，另一束白光通过滤波片6经由反射镜7调角后照射到分色镜2上。两束光在分色镜2处合束，然后通过物镜3聚焦于平板光子晶体缺陷以及填充其中的生物样本4上，设计的平板光子晶体8以及光子晶体纳米谐振腔9具有高Q值特性，具有良好的能量耦合特性，保证了光子晶体纳米谐振腔中具有极高的电磁能量密度，达到激励受激拉曼的能量强度；通过控制环境溶液浓度调整光子晶体纳米谐振腔9的工作频率，实现其可调谐性。具有以上两个特征的平板光子晶体缺陷具有诱导光源的特性，发挥诱导光的作用。通过和泵浦光源配合激励起生物样本的受激拉曼信号。激励起的信号由锥形光纤5耦出，并通传递到硅基二极管上，转换为电信号，经锁相放大器放大过后传递给计算机进行数据处理，获得相应的拉曼光谱谱线。利用锥形光纤5作为耦合输出端，锥形光纤5可为单模、多模光纤通过高温火焰激光熔融拉伸或者化学腐蚀形成锥形。
步骤三：将得到的拉曼光谱与拉曼光谱数据库进行组分分析，判断其组成成分。于此同时通过光强变化量获得样本浓度。

Claims (6)

1.一种基于光子晶体缺陷模式实现受激拉曼探测方法，其特性在于，该方法的步骤如下：
步骤一：设计并制备一种具有高Q值105～106，高灵敏度RIU>700和宽波长选择区间Δλ>50nm的带缺陷结构的平板光子晶体；
步骤二：在缺陷结构内搭建检测系统，通过改变被测环境溶液折射率调节光子晶体缺陷结构纳米谐振腔共振频率，在发生受激拉曼散射的频率上测量拉曼位移以及光强变化；
步骤三：利用拉曼光谱数据库进行组分分析，通过拉曼位移判断样本组成成分；通过光强变化量获得样本浓度，实现利用光子晶体缺陷模式实现对被测样本的受激拉曼检测。
2.根据权利要求1所述的一种基于光子晶体缺陷模式实现受激拉曼探测方法，其特征在于：制备光子晶体材料为硅或者III-V族半导体材料，光子晶体晶格常数为正方形晶格、三角形晶格或者蜂窝型晶格。
3.根据权利要求1所述的一种基于光子晶体缺陷模式实现受激拉曼探测方法，其特征在于：光子晶体缺陷结构纳米谐振腔为单模或者多模谐振腔。
4.根据权利要求1所述的一种利用光子晶体缺陷模式实现受激拉曼检测的方法，其特征在于：检测系统的耦合输出端为锥形光纤，锥形光纤可为单模、多模光纤通过高温火焰激光熔融拉伸或者化学腐蚀形成锥形。
5.根据权利要求1所述的一种基于光子晶体缺陷模式实现受激拉曼探测方法，其特征在于：光子晶体缺陷结构为单个带缺陷光子晶体或者带缺陷光子晶体阵列结构。
6.根据权利要求1所述的一种基于光子晶体缺陷模式实现受激拉曼探测方法，其特征在于：光子晶体缺陷结构通过利用纳米压，双光子或者电子束光刻以及相应的刻蚀工艺实现。
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