CN111239504A - 一种基于表面增强拉曼散射的电场测量的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于表面增强拉曼散射的电场测量的装置，包括主体，所述主体的上方设置有光栅结构，所述光栅结构的上方设置有微纳金属颗粒层；该基于表面增强拉曼散射的电场测量的装置，能够将电场的强度信号转换为主体的形变，使得设置于主体上方的光栅结构的参数发生变化，进而引起设置于光栅结构上方的微纳金属结构层的对入射光的拉曼散射发生变化，通过检测入射光的拉曼散射光谱，并且利用CCD探测器采集和分析拉曼散射光谱，从而实现电场的测量，该基于表面增强拉曼散射的电场测量的装置具有结构简单、抗干扰能力强，灵敏度高、精确度高的优点。

Description

一种基于表面增强拉曼散射的电场测量的装置
技术领域
本发明属于电场探测的技术领域，具体涉及一种基于表面增强拉曼散射的电场测量的装置。
背景技术
电场是电荷及变化磁场周围空间里存在的一种特殊物质。这种物质与通常的实物不同，它虽然不是由分子原子所组成的，但它却是客观存在的特殊物质，具有通常物质所具有的力和能量等属性。
随着国家电网建设的快速发展，输电线路越来越接近居民活动的区域，工频电场、直流合成电场等引起的电磁环境问题愈来愈引起人们的关注。工频电场是交流输电线路和变电站的主要电磁环境参数，直流合成电场是直流输电线路的主要电磁环境参数。需要对电场进行检测以评价输变电工程对电磁环境影响。
同时，为了长期工作在高电场环境中人员作业的安全，国家制定了严格的规章制度来杜绝事故的发生，当人在疲劳状态下，往往制度和监督失去了作用，这样就需要有一种安全装置来避免发生此类事故，然而，目前针对环境场强超标的设备，国内外还很少研究。作业人员在高压工频电场的环境中，尤其是在攀爬或接近高压带电设备时，工作人员会误闯入高压区域，如果当事人对其所处的状况不甚了解的情况下，这就有可能造成人身事故。因此，研究具有警示功能的电场测量仪，对保护人员的安全，提高的安全系数，降低事故的发生率具有重要意义。
目前的电场测量仪，在电极设计上往往是使用大体积的球形电极，体积大不利于携带，还有一种像腕式报警器这样的装置虽然小巧但是误判率高，不能够监测佩戴者各个方向的电场情况。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于表面增强拉曼散射的电场测量的装置，包括主体，所述主体的上方设置有光栅结构，所述光栅结构的上方设置有微纳金属颗粒层。
所述光栅结构是由多个周期排列的石英条制成。
所述石英条之间的间隔为沟槽。
所述石英条包括第一石英条、第二石英条，并且第一石英条与第二石英条间隔排列，第一石英条与第二石英条之间的沟槽为第二沟槽，第二石英条与第一石英条之间的沟槽为第一沟槽。
所述光栅结构(2)的排列周期为500nm～2000nm。
所述光栅结构(2)的高度为40nm～200nm。
所述微纳金属颗粒层是由银制成。
所述微纳金属颗粒层的金属颗粒的形状为球形或正方体形或者三棱柱形。
本发明的有益效果：本发明提供的这种基于表面增强拉曼散射的电场测量的装置，能够将电场的强度信号转换为主体的形变，使得设置于主体上方的光栅结构的参数发生变化，进而引起设置于光栅结构上方的微纳金属结构层的对入射光的拉曼散射发生变化，通过检测入射光的拉曼散射光谱，并且利用CCD探测器采集和分析拉曼散射光谱，从而实现电场的测量，该基于表面增强拉曼散射的电场测量的装置具有结构简单、抗干扰能力强，灵敏度高、精确度高的优点。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是基于表面增强拉曼散射的电场测量的装置的结构示意图一。
图2是基于表面增强拉曼散射的电场测量的装置的结构示意图二。
图3是基于表面增强拉曼散射的电场测量的装置的结构示意图三。
图4是基于表面增强拉曼散射的电场测量的装置的立体结构示意图。
图5是微纳金属颗粒的结构示意图。
图中：1、主体；2、光栅结构；2-1、第一石英条；2-2、第二石英条；3、沟槽；3-1、第一沟槽；3-2、第二沟槽；4、CCD探测器；5、半导体激光器；6、微纳金属颗粒层。
具体实施方式
为进一步阐述本发明达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施例对本发明的具体实施方式、结构特征及其功效，详细说明如下。
实施例1
本实施例提供了一种如图1所示的基于表面增强拉曼散射的电场测量的装置，包括主体1，所述主体1的上方设置有光栅结构2，所述光栅结构2的上方设置有微纳金属颗粒层6。在微纳金属颗粒层6上设置生物分子或化学分子，装置测量该生物分子或化学分子的拉曼信号。主体1采用石英制成，所述光栅结构2是由多个周期排列的石英条制成，并且所述石英条之间的间隔为沟槽3；这样，当在垂直于沟槽3的方向施加外加电场，当外加电场穿过光栅结构2时，会使得光栅结构2的尺寸参数发生变化，从而改变设置于光栅结构2上方的微纳金属颗粒层6中微纳金属颗粒之间的距离，在激发光照射下，微纳金属颗粒周围的电场发生显著变化，因为表面增强拉曼散射增强因子严重地依赖于微纳金属颗粒周围的电场，所以表面增强的拉曼散射发生显著变化；通过采集和分析拉曼散射光谱的变化，就可以测量出电场的大小。
不同的光栅结构2及不同的电场方向会对已知的入射光产生不同的表面增强拉曼散射效果。如图1所示，采用的是宽槽光栅结构，此时，在垂直于沟槽3的方向施加电场，改变了光栅结构2的宽度，从而改变贵金属颗粒之间的距离，进而改变表面增强拉曼散射的增强因子。如图2所示，采用宽槽光栅结构，在竖直方向施加电场，从而改变光栅结构2的高度，此时，如果原始光栅结构2的高度是相同的，也就是在一条凸起的顶部，高度是相同的，那么在竖直方向施加电场后，凸起顶部的高度依然是相同的，对贵金属颗粒之间的耦合没有改变。光栅结构2可以看作由平行的凸起构成。所以，需要设计凸起的顶部高度不同，例如中间高、两侧低，或者一侧高、另一侧低。这样一来，在竖直方向施加电场后，凸起的各部位的形变不同，从而改变了相邻金属颗粒之间的距离，从而改变了贵金属颗粒周围的电场，从而改变了表面增强拉曼散射的增强因子，进而根据表面增强拉曼散射增强因子的变化，确定外部施加的电场。
如图3所示，主体1表面的光栅结构2采用双槽结构，即：所述石英条包括第一石英条2-1、第二石英条2-2，并且第一石英条2-1与第二石英条2-2间隔排列，第一石英条2-1与第二石英条2-2之间的沟槽3为第二沟槽3-2，第二石英条2-2与第一石英条2-1之间的沟槽3为第一沟槽3-1。每个石英条凸起的顶部的高度不同，例如中间高、两侧低或者一侧高、另一侧低。在垂直于沟槽3方向施加电场或在竖直方向施加电场均可。当在垂直于沟槽3的水平方向施加电场时，电场改变了石英条凸起的宽度，从而改变金属颗粒之间的距离，宽度不相同的石英条会带来不同的形变，从而对金属颗粒之间的距离的改变也不同，因为表面等离激元共振依赖于金属颗粒之间的距离，所以不同距离导致不同的共振峰，从而共振峰变宽，从而在进行表面增强拉曼散射测量时，对光源波长的要求降低，可以应用不同波长的激发光。当在竖直方向施加电场时，具有类似的效果，不同宽度的石英条的形变不同，从而导致金属颗粒之间距离的改变不同。进一步地，将第一石英条2-1和第二石英条2-2的高度设置为不同。这样一来，在竖直方向施加电场时，二者高度的差异发生更显著的竖直形变差异，从而改变其上相邻贵金属颗粒之间的距离差异更多，从而产生更宽频的共振。
进一步的，所述光栅结构2的排列周期为500nm～2000nm。贵金属颗粒的尺寸大于20纳米、小于80纳米，以便于在石英条上能够并列排布3个以上的金属颗粒。
进一步的，所述光栅结构2的高度为40nm～200nm。当在表面设置生物分子或者化学分子时，在沟槽3中也会设置有金属颗粒和生物分子或化学分子，当沟槽3底部与光栅结构2的高度差为40纳米至200纳米时，保证了沟槽3底部的金属颗粒与石英条顶部的金属颗粒之间的耦合，从而在金属颗粒周围产生更强的电场，从而提高表面增强拉曼散射增强因子。
进一步的，所述微纳金属颗粒层6是由银或金制成。
进一步的，如他5所示，所述微纳金属颗粒层6的金属颗粒的形状为球形或正方体形或者三棱柱形，相比球形纳米颗粒，其他几种纳米颗粒结构的棱角或者尖端会产生更强的局域电磁场，以增加拉曼散射。
实际应用的时候，如图4所示，当电场穿过主体1的时候，会使得光栅结构2的参数发生变化，从而改变设置于光栅结构2上方的微纳金属颗粒层6对已知的入射光产生表面增强的拉曼散射发生改变；通过CCD探测器4采集和分析半导体激光器5所发出的激光的拉曼散射光谱的变化，就可以测量出电场的大小。
综上所述，该基于表面增强拉曼散射的电场测量的装置，能够将电场的强度信号转换为主体的形变，使得设置于主体上方的光栅结构的参数发生变化，进而引起设置于光栅结构上方的微纳金属结构层的对入射光的拉曼散射发生变化，通过检测入射光的拉曼散射光谱，并且利用CCD探测器采集和分析拉曼散射光谱，从而实现电场的测量，该基于表面增强拉曼散射的电场测量的装置具有结构简单、抗干扰能力强，灵敏度高、精确度高的优点。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于表面增强拉曼散射的电场测量的装置，其特征在于：包括主体(1)，所述主体(1)的上方设置有光栅结构(2)，所述光栅结构(2)的上方设置有微纳金属颗粒层(6)。
2.如权利要求1所述的一种基于表面增强拉曼散射的电场测量的装置，其特征在于：所述光栅结构(2)是由多个周期排列的石英条制成。
3.如权利要求2所述的一种基于表面增强拉曼散射的电场测量的装置，其特征在于：所述石英条之间的间隔为沟槽(3)。
4.如权利要求3所述的一种基于表面增强拉曼散射的电场测量的装置，其特征在于：所述石英条包括第一石英条(2-1)、第二石英条(2-2)，并且第一石英条(2-1)与第二石英条(2-2)间隔排列，第一石英条(2-1)与第二石英条(2-2)之间的沟槽(3)为第二沟槽(3-2)，第二石英条(2-2)与第一石英条(2-1)之间的沟槽(3)为第一沟槽(3-1)。
5.如权利要求2所述的一种基于表面增强拉曼散射的电场测量的装置，其特征在于：所述光栅结构(2)的排列周期为500nm～2000nm。
6.如权利要求1所述的一种基于表面增强拉曼散射的电场测量的装置，其特征在于：所述光栅结构(2)的高度为40nm～200nm。
7.如权利要求4所述的一种基于表面增强拉曼散射的电场测量的装置，其特征在于：所述微纳金属颗粒层(6)是由银制成。
8.如权利要求7所述的一种基于表面增强拉曼散射的电场测量的装置，其特征在于：所述微纳金属颗粒层(6)的金属颗粒的形状为球形或正方体形或者三棱柱形。
9.如权利要求2所述的一种基于表面增强拉曼散射的电场测量的装置，其特征在于：所述主体(1)是由石英制成。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2023231962A1 (zh) * 2022-06-01 2023-12-07 华为技术有限公司 一种光栅、制作光栅的方法及设备

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