一种柱矢量光束增强拉曼光谱装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于光学技术领域，涉及一种增强拉曼光谱方法，特别是一种柱矢量光束增强拉曼光谱方法，主要应用于电化学、材料科学、环境监测、资源勘探、食品安全、生命科学、医学医疗、工业过程控制、国防安全等领域中的拉曼光谱及拉曼检测。
【背景技术】
[0002]拉曼光谱是一种散射光谱，是基于印度科学家C.V.拉曼(Raman)所发现的拉曼散射效应，对与入射光频率不同的散射光谱进行分析以得到分子振动、转动方面信息，并广泛应用于电化学、材料科学、环境监测、资源勘探、食品安全、生命科学、医学医疗、工业过程控制、国防安全等领域中。由于拉曼散射非常弱，强度大约为瑞利散射的千分之一，所以在拉曼光谱检测系统中，为了得到拉曼光谱信息，提高信噪比，需要拉曼光谱增强技术。在先技术中存在一种增强拉曼光谱方法，表面增强拉曼光谱，简称SERS，用通常的拉曼光谱法测定吸附在胶质金属颗粒如银、金或铜表面的样品，或吸附在这些金属片的粗糙表面上的样品，被吸附的样品其拉曼光谱的强度可提高3-6个数量级，但是基底材料和基底形貌的普适性限制了表面增强拉曼光谱使用，对基底材料和基底形貌要求严格。在先技术中存在另一种表面增强拉曼光谱，基于金核过渡金属壳的双金属核壳结构的纳米粒子进行表面拉曼增强，(参见论文 Z.Q.Tian et.al.Expanding generality of surface-enhanced Ranmanspecteroscopy with borrowing SERS activity strategy.Chem.Comm.2007, 3514)，这种技术虽然具有一定的优点，但是针对不同检测材料，不可能合成每种材料的核壳结构的纳米粒子，本质上限制了拉曼增强技术的使用范围。在先技术中还存在另外一种拉曼增强技术，称为针尖增强拉曼光谱技术，(参见论文B.Pettinger, et.al.Nanoscal probingof absorbed species by tip-enhanced Raman spectroscopy.Phys.Rev.Lett.2004,92，096101)，尽管其在空间检测分辨率上优于表面拉曼增强技术，但是仍然存在本质不足，由于只有一个小的针尖处起到增强作用，导致拉曼信号减弱，并且针尖容易被污染和干扰，导致探测信号易于偏离真值。另外，以上在先增强拉曼光谱技术存在灵敏度不高，并且在本质上无法提供与光场偏振相关的信息，信息含量不够高。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于针对上述技术的不足，提供一种柱矢量光束增强拉曼光谱装置及方法，具有高灵敏度、高信噪比、可检测多形态物质、对基地材料和形貌要求低、可以提供偏振相关特性、信息量高、应用范围广、功能易于扩充等特点。
[0004]本发明的基本构思是:基于柱矢量光束偏振调节特性，将矢量光束激发与核壳结构纳米颗粒层拉曼增强效应相结合，将入射光束整形成偏振态可调控的柱矢量光束，然后聚焦到核壳结构纳米颗粒层区域，核壳结构纳米颗粒包括金属纳米颗粒内核和惰性材料外壳，被检测物质位于核壳结构纳米颗粒层的被检测区域，利用柱矢量光束偏振激发和核壳结构纳米颗粒的强电磁场增强效应，增强了被检测物的拉曼信号，同时由于偏振分布和可调控特性，增强拉曼信号中包括含有偏振差异化信息，增加了拉曼信号的信息量。
[0005]一种柱矢量光束增强拉曼光谱装置，包括激光光源、光场偏振整形部件、偏振态调控部件、会聚元件、透光基板和光电探测器。
[0006]所述的激光光源的出射光路上依次设有光场偏振整形部件、偏振态调控部件、会聚元件、透光基板和光电探测器；其中透光基板设置在会聚元件的焦点区域，所述的透光基板远离会聚元件的一侧上设置有核壳结构纳米颗粒层。
[0007]本发明的柱矢量光束增强拉曼光谱方法的具体技术方案如下
步骤(I)激光光源出射光束上设置有光场偏振整形部件，光场偏振整形部件将入射光束整形转化成柱矢量光束；
步骤(2)光场偏振整形部件透射出射的柱矢量光束传播光路上设置有偏振态调控部件，偏振态调控部件可以调控柱矢量光束，实现偏振态的轴对称偏振态的调控；
步骤(3)偏振态可调控的柱矢量光束经过会聚元件聚焦，形成拉曼光谱激发区域，可以通过光场偏振整形部件和偏振态调控部件实现柱矢量光束焦点区域中光场特性调控；步骤(4)在透光基板远离会聚元件的一侧上设置有核壳结构纳米颗粒层，核壳结构纳米颗粒包括金属纳米颗粒内核和惰性材料外壳，带有核壳结构纳米颗粒层的透光基板设置在柱矢量光束的焦点区域；
步骤(5)被检测物设置在透光基板上的出射光路上，在柱矢量光束聚焦激发以及核壳结构纳米颗粒作用下，被检测物的拉曼光信号得到增强，光电探测器探测拉曼信号实现对被检测物的分析。
[0008]所述的激光光源为气体激光器、固态激光器、染料激光器、半导体激光器的一种。
[0009]所述的光场偏振整形部件为电控偏振转换器、液晶型偏振态调控器、固态微纳结构型偏振态调控器、圆锥面型偏振态调控器的一种。
[0010]所述的偏振态调控部件为液晶偏振调节器、微纳结构偏振调节器、双二分之玻片对偏振调节器的一种。
[0011 ] 所述的会聚元件为单透镜、复合透镜组、消色差物镜、平场物镜、菲涅尔透镜中的一种。
[0012]所述的透光基板为玻璃透光基片、石英透光基片、树脂透光基片的一种。
[0013]所述的核壳结构纳米颗粒层为金核核壳结构纳米颗粒、银核核壳结构纳米颗粒、铜核核壳结构纳米颗粒构成的纳米颗粒层的一种。
[0014]所述的光电探测器为色散式拉曼光电探测器、滤光片式拉曼光电探测器、显微拉曼探测器的一种。
[0015]本发明中柱矢量光束偏振调节、核壳结构纳米颗粒制备、拉曼信号采集处理技术均为成熟技术。本发明的发明点在于基于柱矢量光束偏振调节特性，将矢量光束激发与核壳结构纳米颗粒层拉曼增强效应相结合，给出一种高灵敏度、高信噪比、可检测多形态物质、对基地材料和形貌要求低、可以提供偏振相关特性、信息量高、应用范围广、功能易于扩的一种柱矢量光束增强拉曼光谱方法。
[0016]与现有技术相比，本发明的优点:
在先技术中的表面增强拉曼方法对基底材料和基底形貌要求高，针尖增强拉曼则是拉曼信号减弱，并且针尖容易被污染和干扰，灵敏度低。本发明基于柱矢量光束偏振调节特性，将矢量光束激发与核壳结构纳米颗粒层拉曼增强效应相结合，充分发挥了核壳结构纳米颗粒层增强拉曼效应，具有对基地材料和形貌要求低以及可检测多形态物质的特点；本发明由于基于核壳结构纳米颗粒层，每个核壳结构纳米颗粒相当于增强探针，因此本发明具有高灵敏度和高信噪比的特点；由于本发明中是基于柱矢量光束偏振激发和核壳结构纳米颗粒的强电磁场增强效应，因此偏振态调控和激发，为拉曼检测提供偏振相关特