CN206224136U - 一种全息制作表面拉曼增强基底的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种全息制作表面拉曼增强基底的装置，包括高速旋转涂布机、真空烘箱、全息光刻系统、实时显影装置和镀膜机。利用高速旋转涂布机获得涂满光刻胶的光栅基片；真空烘箱用于烘干、固化光刻胶；使用全息光刻系统使得两束相干光产生干涉，在光刻胶表面记录相干光的干涉条纹，通过控制两束光的角度，精密控制光栅的周期；再通过实时显影在光刻胶表面形成浮雕型光栅；最后在光栅表面用镀膜设备镀一层表面增强拉曼散射金属活性层。解决了用简单设备来得到大面积表面拉曼增强基底时周期性难以精确控制的技术难题。

Description

一种全息制作表面拉曼增强基底的装置

技术领域

本实用新型涉及光谱学元件加工领域，特别是涉及表面拉曼增强基底的制备装置。

背景技术

拉曼光谱是物质分子的“指纹”光谱，可以用来有效反映待测分子的结构特征信息的分析技术，但研究发现，经过散射后观察所得到的信号强度非常的弱，检测信号常常被淹没在噪声中，这一缺点曾经一度的限制了其在实际的检测分析方面的应用。Fleischmann等人于1974年对光滑银电极表面进行粗糙化处理后，首次获得吸附在银电极表面上单分子层吡啶分子的高质量的拉曼光谱。随后Van Duyne及其合作者通过系统的实验和计算发现吸附在粗糙银表面上的每个吡啶分子的拉曼散射信号与溶液相中的吡啶的拉曼散射信号相比，增强约6个数量级，指出这是一种与粗糙表面相关的表面增强效应，被称为表面增强拉曼光谱效应。

利用表面增强拉曼散射技术检测之时，基于基底金属表面的粗糙化的结构特征，其分子信号的增强效果非常明显，而且它在检测过程中所具有的对待测的物质的非破坏性及高效的优良性能，使得表面增强拉曼散射效应在发现以来得以应用于众多的科学领域。众所周知，增强基底的制备是获得较好拉曼光谱信号的关键；纳米线、纳米颗粒、树枝晶、纳米薄膜、纳米阵列、核.壳结构等都可以作为拉曼光谱增强基底。在近几年的研究发展中，拉曼增强基底的制备一直以来备受研究者的重视，高效稳定的拉曼增强基底对于分子检测的过程起着至关重要的作用；它往往需要具有一定规律有序的粗糙性结构才更能有利于测试过程中分子信号的增强。

通常制作表面拉曼增强基底最常用的设备是分子自组装设备，氧化铝模板(AAO)设备，贵金属溶胶制备装置，电子束曝光制备装置等。分子自组装设备较难制作出大面积的周期性排布的表面拉曼增强基底。氧化铝模板设备制作表面拉曼增强基底工艺复杂，较难控制。贵金属溶胶装置制作出的表面拉曼增强基底的增强活性比周期性排布的基底差。电子束曝光制备装置的设备成本高，制作时间较长，无法完成大面积的周期性微结构的基底。因此很有必要寻求一种新装置来制作大面积的周期性微结构的表面拉曼增强基底，来解决上述问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于通过简单的方法与设备来得到大面积周期性的表面拉曼增强基底。根据本实用新型的目的一种全息制作表面拉曼增强基底的制作工艺流程如下：

(1)在洁净的光栅基片上旋涂光刻胶薄膜；

(2)对光刻胶薄膜烘烤，坚膜；

(3)在所述的光刻胶薄膜的正交方向上以二次曝光的方式全息干涉光刻；具体步骤为在光 刻胶薄膜上完成第一次曝光后，将光栅基片旋转90°，进行第二次曝光，通过两次正交曝光的方式在光刻胶薄膜上记录二维全息干涉条纹；

(4)对已曝光好的光栅进行实时显影，形成表面浮雕型光刻胶光栅；

(5)在光刻胶光栅表面镀一层表面增强拉曼散射金属活性层。

根据上述全息制作表面拉曼增强基底的技术方案，本实用新型提供一种全息制作表面拉曼增强基底的装置，具体的装置结构模块如下：

模块1)：光刻胶涂布的旋转涂布机；即用旋转涂布机在光栅基片上均匀涂布一层与干涉光刻光源匹配的光刻胶薄膜，激光器的波长在光刻胶的感光敏感范围内会得到更好的光刻效果。

模块2)：用于坚膜的烘箱；即将涂好光刻胶的光栅基片放置在洁净烘箱中，使光刻胶固化，干燥。

模块3)：正交全息干涉光刻系统，包括激光器、光线传播方向上依次设置的用于调整激光器发出光偏振态的四分之一波片、格兰偏振棱镜、光线经过格兰偏振棱镜后透射光路上设置的反射镜、用于将TM偏振光换成TE偏振光的半波片、光线经过格兰偏振棱镜后反射光路上设置的反射镜、设置于透射光路与反射光路相干处的涂有光刻胶薄膜的光栅基片；其中光线经过格兰偏振棱镜后的透射光为TM偏振光、光线经过格兰偏振棱镜后的反射光为TE偏振光。

模块4)：实时显影装置；将干涉光刻后的记录有干涉条纹的光栅基片放置于显影容器中，获得浮雕型光刻胶光栅。

模块5)：镀膜机；将上述步骤中的光刻胶光栅置于镀膜机中，镀一层表面增强拉曼散射金属活性层。

上述全息制作表面拉曼增强基底的装置装置中，模块1)中采用高速旋转涂布机，带有抽真空装置，例如真空泵，能够在真空中完成光刻胶薄膜的涂布，避免空气中浮尘引起光刻胶薄膜不均匀。

上述全息制作表面拉曼增强基底的装置装置中，模块1)中，涂布的光刻胶薄膜厚度为180nm～220nm，所述模块5)中，在光刻胶光栅上镀的表面增强拉曼散射金属活性层厚度为180nm～220nm。

优选的技术方案：

上述全息制作表面拉曼增强基底的装置装置中，模块3)正交全息干涉光刻系统中光线经过格兰偏振棱镜后反射光和透射光的光强相等且入射到光栅基片上的反射光和透射光关于光栅基片的中心线对称分布。

模块3)正交全息干涉光刻系统中，光线经过格兰偏振棱镜后反射光路和透射光路上的两块反射镜上分别设置用于控制光线入射角的同步反向旋转电机。如果需要获得不同周期的光栅只需要在透射光路与反射光路的两块反射镜上设置用于控制光线入射角的同步反向旋转电机，实现一块反射镜旋转角度另一块反射镜同步反方向旋转相同的角度，根据公式λ＝2dSinθ，其中λ是激光波长，d是光栅周期，θ是两束相干光的夹角的一半，控制两块反射镜同步反向旋转，精密控制两束相干光的夹角，从而精密控制光栅的周期。

方便对光栅基片进行正交方向的二次曝光，上述全息制作表面拉曼增强基底的装置装置中，模块3)还设置有用于装夹光栅基片的旋转曝光支架，可旋转角度大于等于90度。第一次曝光结束后，控制旋转曝光支架旋转90°，进行第二次曝光，在光刻胶上记录二维全息干涉条纹。

上述全息制作表面拉曼增强基底的装置装置中，模块3)所述正交全息干涉光刻系统所采用的激光器的波长在光刻胶的敏感范围内。

模块3)所述激光器输出激光波长为413.1nm，光强为60～80lux。

上述全息制作表面拉曼增强基底的装置装置中，模块4)：所述的实时显影装置由半导体激光器、显影架、显影液、显影槽、汇聚透镜、光电探测器组成；其中显影槽中充满显影液，经模块3)拍摄好的光栅基片装夹在显影架上并浸没在显影槽中，汇聚透镜放置在半导体激光器发出的光经光栅衍射后的-1级衍级处，光电探测器放在汇聚透镜的后端用于监控衍射光的强度。

上述装置中，模块5)所述的镀膜机，所镀的表面增强拉曼散射金属活性层由金、银、铜、铁、钴、镍至少一种组成。

制作具有一定规律有序排列的粗糙性结构是制作拉曼增强基底的关键步骤，本实用新型的技术方案利用了光线干涉条纹周期性分布并且条纹形状的可控特征，使用由高速旋转涂布机、真空烘箱、全息光刻系统、实时显影装置和镀膜机功能模块组合起来装置的在光刻胶薄膜上，采用正交全息干涉光刻方案制作表面拉曼增强基底，在光刻胶薄膜上记录正交的干涉条纹，通过实时显影，形成表面浮雕型的光刻胶光栅，最后在光刻胶光栅上热蒸发金膜，得到二维金拉曼增强基底；通过控制两束相干光的夹角就可以精密控制光栅的周期，进而方便的获得不同周期结构的拉曼增强基底。

由于上述制备装置运用，本实用新型与现有技术相比具有下列优点：

1.设备结构简单，制作工艺也简单，只需通过控制同步反向电机实现控制两路相干光夹角进而实现对光栅周期的控制。

2.适合批量化生产，且多件加工时各个产品之间一致性好。

3.适合制作大面积周期性好的拉曼增强基底，且拉曼增强基底的结构特征易于精确控制，可以按照需求设计加工出不同结构的拉曼增强基底。

附图说明

图1全息制作表面拉曼增强基底的工艺流程；

图2全息制作表面拉曼增强基底的光刻系统；

图3显影光学系统示意图；

其中，1为四分之一波片；2为格兰偏振棱镜；3为反射镜；4为半波片；5为光栅基片；6为反射镜；7为同步反向旋转电机；8为同步反向旋转电机；9为旋转曝光支架；10为半导体激光器；11为显影槽；12为汇聚透镜；13为光电探测器。

具体实施方式

为了更清楚地说明本实用新型或现有的装置，下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述。

实施例一：一种全息制作表面拉曼增强基底的装置，如图1所示，包括以下几个功能模块：1)高速旋转涂布机，用于旋涂光刻胶薄膜：用无尘布和有机溶剂清洁光栅基片，启动涂布机自带抽真空设备在涂布开始前抽真空，控制涂布机的旋转速度，光刻胶薄膜的涂布厚度180nm；

2)真空烘箱，用于烘烤、坚膜：在室温下将涂好光刻胶薄膜的光栅基片放入洁净烘箱中，迅速平稳地加热至90℃左右，在此温度下停留1小时，最后将烘箱自然缓慢降至室温后取出已烘烤的光栅基片，干燥备用；

3)全息光刻系统，用于在胶薄膜的正交方向上以二次曝光的方式全息干涉光刻；如图2所示，激光器产生的激光经过四分之一波片1可以调节激光的偏振态，经过格兰偏振棱镜2分成两束偏振光，透射光为TM偏振光，反射光为TE偏振光，透射光经过半波片4转换成TE偏振光，产生两束相干光。反射光和透射光关于光栅基片5的中心线对称分布。通过旋转四分之一波片，使得两束光的光强一致，产生对比度最好的干涉条纹。反射镜3与反射镜4分别设置于同步反向旋转电机8与同步反向旋转电机7上，不同周期的光栅只需要控制两个反射镜同步反向旋转。根据公式λ＝2dSinθ，其中λ是激光波长，d是光栅周期，θ是两束相干光的夹角的一半。控制两块反射镜同步反向旋转，精密控制两束相干光的夹角，从而精密控制光栅的周期。第一次曝光结束后，控制旋转曝光支架9旋转90°，进行第二次曝光，在光刻胶上记录二维全息干涉条纹。本实用新型中采用记录激光波长为413.1nm，通过调整激光器的输入电流，控制单束光强为60lux。第一次曝光时间控制在30s；第二次曝光时间控制 在15s。

4)实时显影装置，如图3所示，将曝光好光栅基片的固定在显影架上，将光栅基片浸入充满显影液的显影槽11中，调整半导体激光器10及透镜12的位置，接收到光栅的-1级衍射光，实时监控衍射光的强度，控制显影时间在30s，由光电探测器13接收衍射光，当衍射光的强度下降至最大值的70％，停止显影，用去离子水冲洗光刻胶光栅。

5)镀膜机，在光刻胶光栅上面蒸镀一层厚180nm的表面增强拉曼散射金属活性层，其中所述的金属活性层是由金、银、铜、铁、钴、镍至少一种组成。

实施例二：一种全息制作表面拉曼增强基底的装置，如图1所示，包括以下几个功能模块：1)高速旋转涂布机，用于旋涂光刻胶薄膜：用无尘布和有机溶剂清洁光栅基片，启动涂布机自带抽真空设备在涂布开始前抽真空，控制涂布机的旋转速度，光刻胶薄膜的涂布厚度220nm；

2)真空烘箱，用于烘烤、坚膜：在室温下将涂好光刻胶薄膜的光栅基片放入洁净烘箱中，迅速平稳地加热至90℃左右，在此温度下停留1小时，最后将烘箱自然缓慢降至室温后取出已烘烤的光栅基片，干燥备用；

3)全息光刻系统，用于在胶薄膜的正交方向上以二次曝光的方式全息干涉光刻；如图2所示，激光器产生的激光经过四分之一波片1可以调节激光的偏振态，经过格兰偏振棱镜2分成两束偏振光，透射光为TM偏振光，反射光为TE偏振光，透射光经过半波片4转换成TE偏振光，产生两束相干光。反射光和透射光关于光栅基片5的中心线对称分布。通过旋转四分之一波片，使得两束光的光强一致，产生对比度最好的干涉条纹。反射镜3与反射镜4分别设置于同步反向旋转电机8与同步反向旋转电机7上，不同周期的光栅只需要控制两个反射镜同步反向旋转。根据公式λ＝2dSinθ，其中λ是激光波长，d是光栅周期，θ是两束相干光的夹角的一半。控制两块反射镜同步反向旋转，精密控制两束相干光的夹角，从而精密控制光栅的周期。第一次曝光结束后，控制旋转曝光支架9旋转90°，进行第二次曝光，在光刻胶上记录二维全息干涉条纹。本实用新型中采用记录激光波长为413.1nm，通过调整激光器的输入电流，控制单束光强为80lux。第一次曝光时间控制在40s；第二次曝光时间控制在20s。

4)实时显影装置，如图3所示，将曝光好光栅基片的固定在显影架上，将光栅基片浸入充满显影液的显影槽11中，调整半导体激光器10及透镜12的位置，接收到光栅的-1级衍射光，实时监控衍射光的强度，控制显影时间在40s，由光电探测器13接收衍射光，当衍射光的强度下降至最大值的90％，停止显影，用去离子水冲洗光刻胶光栅。

5)镀膜机，在光刻胶光栅上面蒸镀一层厚220nm的表面增强拉曼散射金属活性层，其中 所述的金属活性层是由金、银、铜、铁、钴、镍至少一种组成。

实施例三：一种全息制作表面拉曼增强基底的装置，如图1所示，包括以下几个功能模块：1)高速旋转涂布机，用于旋涂光刻胶薄膜：用无尘布和有机溶剂清洁光栅基片，启动涂布机自带抽真空设备在涂布开始前抽真空，控制涂布机的旋转速度，光刻胶薄膜的涂布厚度220nm；

2)真空烘箱，用于烘烤、坚膜：在室温下将涂好光刻胶薄膜的光栅基片放入洁净烘箱中，迅速平稳地加热至90℃左右，在此温度下停留1小时，最后将烘箱自然缓慢降至室温后取出已烘烤的光栅基片，干燥备用；

3)全息光刻系统，用于在胶薄膜的正交方向上以二次曝光的方式全息干涉光刻；如图2所示，激光器产生的激光经过四分之一波片1可以调节激光的偏振态，经过格兰偏振棱镜2分成两束偏振光，透射光为TM偏振光，反射光为TE偏振光，透射光经过半波片4转换成TE偏振光，产生两束相干光。反射光和透射光关于光栅基片5的中心线对称分布。通过旋转四分之一波片，使得两束光的光强一致，产生对比度最好的干涉条纹。反射镜3与反射镜4分别设置于同步反向旋转电机8与同步反向旋转电机7上，不同周期的光栅只需要控制两个反射镜同步反向旋转。根据公式λ＝2dSinθ，其中λ是激光波长，d是光栅周期，θ是两束相干光的夹角的一半。控制两块反射镜同步反向旋转，精密控制两束相干光的夹角，从而精密控制光栅的周期。第一次曝光结束后，控制旋转曝光支架9旋转90°，进行第二次曝光，在光刻胶上记录二维全息干涉条纹。本实用新型中采用记录激光波长为413.1nm，通过调整激光器的输入电流，控制单束光强为70lux。第一次曝光时间控制在35s；第二次曝光时间控制在20s。

4)实时显影装置，如图3所示，将曝光好光栅基片的固定在显影架上，将光栅基片浸入充满显影液的显影槽11中，调整半导体激光器10及透镜12的位置，接收到光栅的-1级衍射光，实时监控衍射光的强度，控制显影时间在35s，由光电探测器13接收衍射光，当衍射光的强度下降至最大值的80％，停止显影，用去离子水冲洗光刻胶光栅。

5)镀膜机，在光刻胶光栅上面蒸镀一层厚200nm的表面增强拉曼散射金属活性层，其中所述的金属活性层是由金、银、铜、铁、钴、镍至少一种组成。

Claims (8)

1.一种全息制作表面拉曼增强基底的装置，包括涂布光刻胶的旋转涂布机，用于坚膜的烘箱，用于在经显影后的光刻胶栅上镀一层表面增强拉曼散射金属活性层的镀膜机，其特征在于还包括一下装置：

1)正交全息干涉光刻系统，由激光器、光线传播方向上依次设置的用于调整激光器发出光偏振态的四分之一波片、格兰偏振棱镜、光线经过格兰偏振棱镜后透射光路上设置的反射镜、用于将TM偏振光换成TE偏振光的半波片、光线经过格兰偏振棱镜后反射光路上设置的反射镜、设置于透射光路与反射光路相干处的涂有光刻胶薄膜的光栅基片组成；其中光线经过格兰偏振棱镜后的透射光为TM偏振光、光线经过格兰偏振棱镜后的反射光为TE偏振光；

2)用于将干涉光刻后的记录有条纹栅基片加工成浮雕型光刻胶栅的实时显影装置，所述的实时显影装置由半导体激光器、显影架、显影液、显影槽、汇聚透镜、光电探测器组成:其中显影槽中充满显影液，经正交全息干涉光刻系统拍摄好的光栅基片装夹在显影架上并浸没在显影槽中，汇聚透镜放置在半导体激光器发出的光经光栅衍射后的-1级衍级处，光电探测器放在汇聚透镜的后端用于监控衍射光的强度。

2.根据权利要求1所述的全息制作表面拉曼增强基底的装置，所述的旋转涂布机中设置有抽真空装置。

3.根据权利要求1所述的全息制作表面拉曼增强基底的装置，所述的旋转涂布机中，涂布的光刻胶薄膜厚度为180nm～220nm，所述镀膜机中，在光刻胶光栅上镀的表面增强拉曼散射金属活性层厚度为180nm～220nm。

4.根据权利要求3所述的全息制作表面拉曼增强基底的装置，所述正交全息干涉光刻系统中，正交全息干涉光刻系统中光线经过格兰偏振棱镜后反射光和透射光的光强相等且入射到光栅基片上的反射光和透射光关于光栅基片的中心线对称分布。

5.根据权利要求4所述的全息制作表面拉曼增强基底的装置，所述正交全息干涉光刻系统中，光线经过格兰偏振棱镜后反射光路和透射光路上的两块反射镜上分别设置用于控制光线入射角的同步反向旋转电机。

6.根据权利要求5所述的全息制作表面拉曼增强基底的装置，所述正交全息干涉光刻系统中还设置有用于装夹光栅基片的旋转曝光支架，该旋转 曝光支架可旋转角度大于等于90度。

7.根据权利要求1所述的全息制作表面拉曼增强基底的装置，所述正交全息干涉光刻系统中所述激光器输出激光波长为413.1nm，光强为60～801ux。

8.根据权利要求1～7之一所述的全息制作表面拉曼增强基底的装置，所述的镀膜机，所镀的表面增强拉曼散射金属活性层由金、银、铜、铁、钻、镇至少一种组成。