一种微纳结构色的使用方法与流程

本发明涉及微纳结构色领域，特别涉及一种微纳结构色的使用方法。

背景技术：

1、微纳结构色包括：多层光学薄膜结构、光子晶体结构、介质和光栅结构，其中多层光学薄膜结构采用pvd物理气相沉积等方法在承载体表面蒸镀多层不同厚度、不同折射率的纳米级薄膜层，通过光学干涉形成结构色，光学薄膜层的界面呈几何分割，不同薄膜层的折射率在界面上可以发生跃变，在膜层内连续，薄膜材料可以是透明介质，也可以是吸收介质；

2、光子晶体是由两种折射率不同的物质周期性排布形成的微观结构，制备技术主要有半导体精密加工、电子束光刻、激光直写技术以及自组装法、飞秒激光干涉法等，通过调控晶格常数、折射率等产生光子带隙，阻断特定频率的光波形成结构色；

3、介质中金属纳米结构采用微纳加工技术在含有金属的材料表面形成纳米结构，通过入射光波与该纳米结构相互作用，进而激发近场光学效应形成结构色，介质中金属纳米结构包括亚微米光栅、纳米颗粒等与金属材料的组合，调控亚微米光栅周期、取向以及金属颗粒大小、材料折射率等参数可以呈现不同的结构色；

4、光栅结构通常采用激光直写、全息干涉、离子/电子束光刻、数控加工等方法制备，光栅线宽通常在几百纳米到几个微米量级之间，通过调控光栅周期、角度、深度、折射率、占空比等参数，实现对光的衍射、散射作用，形成结构色。

5、微纳结构色用于生物化学传感和单分子探测时，在数据存储和周期微纳结构制备等方面具有重要的应用，其中激光诱导周期性表面结构是一种普遍现象，在超快激光的照射下，几乎大部分金属、半导体、绝缘体材料都能形成周期性结构，结构有高空间频率周期条纹、低空间频率周期条纹、凹槽等形状，其形成会受激光波长、偏振方向、能量、脉冲数、脉宽等参数影响。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种微纳结构色的使用方法，可以有效解决背景技术中的问题。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

3、一种微纳结构色的使用方法，包括以下操作步骤：

4、s1：微纳结构色的判断：对样品进行除尘处理，再将其与金属纳米颗粒相结合，用吸耳球轻轻吹走样品处的灰尘，判断样品是否符合结构色的特征，判断方法包括以下方法：

5、使用单反相机采集样品在入射光垂直照射和掠射情况下的光学照片，若观察到在不同的入射角度下，样品的颜色有所变化，即可判断为结构色；

6、将样品浸泡在酒精中12个小时，观察到很明显的颜色变化时，即可判断为结构色，因为结构色的产生只跟微结构的形态有关，当酒精渗入微结构中时，折射率发生变化，导致光在微结构中的传播光路发生变化，样品的颜色产生变化，以此选用的样品具有结构色的特征；

7、s2：测量系统：光谱信息的采集采用morpho-r1宏观变角度测量系统，它由光源、支架、出射臂、样品台和底座、光纤、偏振片、光谱仪、电脑和电源部件构成，氙灯光源作为测量系统的光源，入射臂的半透半反镜将光路转换，入射到置于样品台上的样品表面，样品对入射光进行反射，由出射臂在对应的接收位置收集反射光谱，用光纤通过支架的光纤接口将信号输入到光谱仪，光谱仪将结果传输到电脑上，入射角度通过旋转入射光的入射臂和反射光的反射臂的角度来调节，测量不同入射角度的反射光谱；

8、s3：搭建飞秒激光加工系统：包括超快飞秒激光器、衰减片、光开关、物镜、电控三维位移台、暗场散射显微镜、彩色相机、光谱仪、全反射银镜，扫线加工时，光开关处于打开状态，激光照射到样品上，激光通过低数值孔径0.25的物镜聚焦到样品上，样品固定在电控三维位移台上，通过控制位移台的移动加工不同本文彩色相机拍摄的图案都为数值孔径是0.15的物镜拍摄，光谱采集使用高数值孔径0.8的物镜(mplanfln，50x，olympusco.)，散射光谱在暗场显微镜模式下直接通过光谱仪(sr-500i-d2-r-1f1，andorco.)采集图案，样品的制备使用磁控溅射将ito镀在玻璃衬底上，ito薄膜厚度为180nm，样品形成的颜色使用暗场散射显微镜通过彩色相机获取样品的图案，照明光源为卤素白光源，光源通过物镜聚焦到样品，之后再通过相同的物镜收集样品反射的信号到彩色相机，散射光谱在暗场显微镜模式下直接通过光谱仪采集，采集反射光谱时先采集光源在全反射银镜的反射光谱，之后采集加工区域的反射谱除以银镜的反射光谱得到归一化的反射率；

9、s4：微纳结构色的计算：根据公式：mλ＝d(sinα+sinβ)进行计算，其中m为衍射级数(取第1级)，λ为衍射光的波长，d为光栅的周期，α为光线的入射角，β为观测角。

10、优选的，所述步骤s2中，所述光源包括氙灯、氚灯和卤素灯，所述支架包括入射臂和外臂，所述出射臂包括内臂，所述光纤为fib-600-uv和fib-m-600-uv，所述光谱仪为200nm～1100nm，所述氙灯光源的光谱范围为200nm～2000nm。

11、优选的，所述步骤s2中，测量过程分为四个部分：校零、参考镜的光谱信息测量、样品的光谱信息测量和背景的光谱信息测量，样品和参考镜的测量结果与背景光的测量结果先做差值，然后再做比值，此时可以得到反射率结果，选用铝镜作为参考镜。

12、优选的，所述步骤s3中，超快飞秒激光器的脉宽为40fs，波长为355nm，垂直偏振，光斑直径为5mm，衰减片用于调节激光能量，光开关控制激光传输时的逻辑状态。

13、优选的，所述步骤s3中，彩色相机拍摄的图案为数值孔径是0.15的物镜拍摄，光谱采集为高数值孔径0.8的物镜。

14、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

15、本发明中，通过注入的金属纳米颗粒，金属颗粒至少有一个本征振动频率，当入射光频率接近金属颗粒的本征振动频率时，金属颗粒内的自由电荷产生集体振荡，这就形成了局域表面等离激元，纳米尺寸的金属颗粒能够与光子作用产生表面等离激元共振，能够支持传导电子的集体震荡，增强局域电场，近场的增强可以提高各类光谱技术的传感特性，如散射和红外吸收光谱，同时将纳米光学的科学研究的进度推向了亚波长尺度，金属颗粒之间存在的电介质会引起静电屏蔽，导致表面等离激元共振对其所处的环境变化非常敏感，以此方便用于生物化学传感和单分子探测。

技术特征：

1.一种微纳结构色的使用方法，其特征在于：包括以下操作步骤：

2.根据权利要求1所述的一种微纳结构色的使用方法，其特征在于：所述步骤s2中，所述光源包括氙灯、氚灯和卤素灯，所述支架包括入射臂和外臂，所述出射臂包括内臂，所述光纤为fib-600-uv和fib-m-600-uv，所述光谱仪为200nm～1100nm，所述氙灯光源的光谱范围为200nm～2000nm。

3.根据权利要求1所述的一种微纳结构色的使用方法，其特征在于：所述步骤s2中，测量过程分为四个部分：校零、参考镜的光谱信息测量、样品的光谱信息测量和背景的光谱信息测量，样品和参考镜的测量结果与背景光的测量结果先做差值，然后再做比值，此时可以得到反射率结果，选用铝镜作为参考镜。

4.根据权利要求1所述的一种微纳结构色的使用方法，其特征在于：所述步骤s3中，超快飞秒激光器的脉宽为40fs，波长为355nm，垂直偏振，光斑直径为5mm，衰减片用于调节激光能量，光开关控制激光传输时的逻辑状态。

5.根据权利要求1所述的一种微纳结构色的使用方法，其特征在于：所述步骤s3中，彩色相机拍摄的图案为数值孔径是0.15的物镜拍摄，光谱采集为高数值孔径0.8的物镜。

技术总结
本发明公开了一种微纳结构色的使用方法，包括以下步骤：S1：微纳结构色的判断；S2：测量系统；S3：搭建飞秒激光加工系统；S4：微纳结构色的计算。本发明所述的一种微纳结构色的使用方法，本发明中，通过注入的金属纳米颗粒，当入射光频率接近金属颗粒的本征振动频率时，金属颗粒内的自由电荷产生集体振荡，以此形成局域表面等离激元，金属颗粒能够与光子作用产生表面等离激元共振，能支持传导电子的集体震荡，增强局域电场，可以提高各类光谱技术的传感特性，金属颗粒之间存在的电介质会引起静电屏蔽，导致表面等离激元共振对其所处的环境变化非常敏感，以此方便用于生物化学传感和单分子探测。

技术研发人员：王新辉
受保护的技术使用者：江苏大衍光子科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17