基于两次耦合棱镜的波导拉曼散射腔的制作方法

本实用新型涉及一种波导拉曼散射腔，特别是涉及一种基于两次耦合棱镜的波导拉曼散射腔。

背景技术：

拉曼光谱(Raman spectrosopy)是基于拉曼散射效应而发展起来的光谱分析技术，同傅里叶变换红外光谱一样，拉曼光谱能为化合物分析提供分子振动和转动信息。由于拉曼光谱带宽相当，具有很高的光谱分辨率，使得人们可以对光谱间隔很近的信号进行精确识辨，得到更精确的分子结构信息。而且拉曼光谱还具有检测时间短、操作简单、样品所需量少等特点，故随着激光光源的不断发展，拉曼光谱在食品、生物监测、医药、刑事司法、石油化工、地质考古、宝石鉴定等领域都已得到广泛的应用。虽然有上述优点，但拉曼光谱也有明显的不足，例如：由于拉曼散射截面小，产生的拉曼散射信号弱，其量子效率只有10^-10-10^-4。其次，由于拉曼散射信号频率离激发光频率近，为此，在拉曼光谱仪的设计中，必须能排除瑞利散射光的干扰，并具有高灵敏度，(体现在弱信号检测的高信噪比)，才能有效的收集拉曼谱。为了提高拉曼光谱的信号强度，现有的拉曼光谱仪一般都配备高功率激光器、高效滤波片和高分辨单色仪，高档次拉曼光谱仪甚至配有两个滤波片和双单色仪。虽然，目前生产了多种便携式拉曼光谱仪，但其精度和可靠性还有待进一步提高。与此同时，人们还进行了大量的卓有成效的研究，提出了一些新的拉曼光谱技术，如傅里叶变换拉曼光谱、表面增强拉曼光谱、激光共振拉曼光谱、高温激光拉曼光谱等。但对于液体样品而言,拉曼光谱的灵敏度仍然不够高，其适用范围仍然相当窄，通常只能检测具有较高浓度的样品。近年来，有人提出了一种液芯光纤拉曼共振腔，有效地增大了激发光与样品相互作用的距离，并使得散射光能得到更有效的收集，从而提高了检测灵敏度。但这种结构要求光纤的包层折射率小于液体样品的折射率，从而排除了绝大部分液体样品的可能性。

技术实现要素：

针对上述现有技术的缺陷，本实用新型提供了一种基于两次耦合棱镜的波导拉曼散射腔，在不采用昂贵的滤波片结构下实现低透过率窄带滤波并获得高灵敏拉曼光谱。

本实用新型技术方案如下：一种基于两次耦合棱镜的波导拉曼散射腔，包括依次叠置的玻璃基板、玻璃垫圈和玻璃棱镜，所述玻璃基板与玻璃棱镜之间构成样品室，所述样品室设有进样通道和出样通道，所述玻璃基板的上表面沉积下层金属膜，所述玻璃棱镜的下表面沉积上层金属膜，所述玻璃棱镜满足：从玻璃棱镜侧面入射的光在玻璃棱镜的下表面反射后在玻璃棱镜的上表面全反射，再由玻璃棱镜的下表面反射后从玻璃棱镜的另一侧面出射。

进一步的，所述玻璃棱镜为截面呈等腰梯形的棱镜，所述等腰梯形的底角为35°～45°。

进一步的，所述玻璃棱镜的折射率为1.75～1.80。

进一步的，所述上层金属膜的下表面以及下层金属膜的上表面沉积二氧化硅保护膜。

优选的，所述二氧化硅保护膜的厚度为60nm，折射率为1.5。

优选的，所述上层金属膜的材料为银，厚度为35～37nm。

优选的，所述下层金属膜的材料为银，厚度大于200nm。

进一步的，所述玻璃基板的上表面设有玻璃衬底，所述下层金属膜沉积于所述玻璃衬底的上表面。

优选的，所述玻璃衬底的材料为光学玻璃，厚度为480μm，所述玻璃垫圈材料为光学玻璃，厚度为500μm。

本实用新型所提供的技术方案的优点在于：(1)利用棱镜波导结构和衰减全反射原理实现光的两次耦合，使激发光两次反射的强度降至最低，可省用价格昂贵的带阻滤波片(Notch Filter)；(2)而散射光经两次反射后增加了与样品相互作用的距离，散射截面得到增强，而且由于上述滤波结构的带宽小于Δλ<1nm，使散射光得到有效收集；(3)除了具有窄带滤波功能，该结构还具有足够大的自由光谱范围FSR>90nm，能有效排除ATR吸收峰带来的干扰；(4)采用具有高功率密度的双面金属包覆波导结构，并利用具有高品质因子和高灵敏度特性的高阶导模为探针，使拉曼散射得到进一步增强。

附图说明

图1为实施例1基于两次耦合棱镜的波导拉曼散射腔结构示意图。

图2为反射率平方随入射角变化的ATR曲线图。

图3为反射率平方随激发光波长变化的ATR曲线图。

图4为实施例2基于两次耦合棱镜的波导拉曼散射腔结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型作进一步说明，但不作为对本实用新型的限定。

实施例1：请结合图1所示，本实施例所涉及的两次耦合棱镜的波导拉曼散射腔，其结构由上往下依次是玻璃棱镜1、上层银膜2、上层二氧化硅保护膜3、玻璃垫圈4、下层二氧化硅保护膜5、下层银膜6、玻璃衬底7、玻璃基板8。上层银膜2和上层二氧化硅保护膜3依次沉积于玻璃棱镜1的底面，下层银膜6和下层二氧化硅保护膜5依次沉积于玻璃衬底7的表面，再把玻璃棱镜1、玻璃垫圈4、玻璃衬底7和玻璃基板8利用光胶技术结合成一体。玻璃衬底7和玻璃基板8的材料均为光学玻璃，玻璃衬底7的厚度小于玻璃垫圈4，两者之差构成一个可输入液体的空腔，该空腔存放待测液体样品。玻璃垫圈4上开两个通孔，分别是样品通道9和出样通道10。

本实施例中，玻璃棱镜1为截面呈等腰梯形的棱镜，等腰梯形的底角为40°。假设入射激光的波长532nm，玻璃棱镜1的折射率为1.75，上层银膜2的厚度为36nm，下层银膜6的厚度为200nm，银的介电系数为-10.5+i0.8，上层二氧化硅保护膜3和下层二氧化硅保护膜5的厚度均为60nm，折射率1.50。玻璃垫圈4厚度为500μm，玻璃衬底7厚度为480μm。该入射激光在等腰梯形的玻璃棱镜1的侧面入射，在玻璃棱镜1的底面一次反射后由玻璃棱镜1的顶面全反射，进而由玻璃棱镜1的底面进行二次反射，最后由玻璃棱镜1的另一侧面射出。分析出射光得到衰减全反射(ATR)曲线，如图2和图3所示。

由图2可见，当入射角为θ_ATR＝40.37°附近扫描时，由模拟软件计算得到从玻璃棱镜1侧面出射光的两次反射率为R²＝7.6×10^-9。

而由图3可见，该两次耦合棱镜的波导拉曼散射腔结构的带宽为Δλ＝0.5nm，品质因子长波和短波区的自由光谱范围FSR>90nm。

实施例2：请结合图4所示两次耦合棱镜的波导拉曼散射腔，其结构还可以是由上往下依次是玻璃棱镜101、上层银膜102、上层二氧化硅保护膜103、玻璃垫圈104、下层二氧化硅保护膜105、下层银膜106、玻璃基板107。上层银膜102和上层二氧化硅保护膜103依次沉积于玻璃棱镜101的底面，下层银膜106和下层二氧化硅保护膜105依次沉积于玻璃基板107的表面，再把玻璃棱镜101、玻璃垫圈104和玻璃基板107利用光胶技术结合成一体。玻璃棱镜101和玻璃基板107之间构成存放待测液体样品的空腔。玻璃基板107上开设两个通孔，分别是样品通道108和出样通道109。该实施例结构与实施例1的结构相比，去除了玻璃衬底，空腔厚度直接由玻璃垫圈104厚度决定。其余结构同实施例1时，与实施例1所述结构具有相同技术效果。