基于两级表面等离子共振增强结构的高灵敏度拉曼散射成像物理机制及制作工艺研究

无须标记的高灵敏度拉曼散射成像技术在生命科学、环境科学和光传感等领域具有十分重要的作用。普通自发拉曼散射由于散射截面过低，很难被直接用于高质量快速实时成像。金属表面等离子共振引起的局域场增强效应能有效提高拉曼散射信号强度，可以大大改善拉曼散射成像质量。.本课题以多层金属－介质膜组成的蝴蝶结对和同心环形光栅为基本结构，研究他们之间的等离子耦合与共振增强作用，建立两级等离子共振增强结构的局域场增强物理模型，设计各结构参数（如光栅参数、蝴蝶结对形状、尺寸）来优化局域场增强性能；并进一步研究在两级共振结构的局域场增强情况下拉曼散射增强的物理机理。在此基础上采用电子束曝光（EBL）工艺制作大面积均匀有序的阵列结构，再结合阴影蒸镀和反应离子蚀刻法对蝴蝶结对的尖端微结构和间距进行修饰，从而获得均匀分布的"热点"阵列，实现高灵敏度大面积均匀的拉曼散射成像，并探索其在生命科学与光传感领域的应用。

针对无须标记拉曼成像技术中拉曼散射截面低的问题，我们采用了两级复合的金属等离子共振结构来实现局域场的增强，从而进一步提高拉曼散射截面。重点研究了金属同心环光栅与金属蝴蝶结对之间的两级耦合共振，建立了该两级共振结构的耦合模型，实现了通过金属同心环光栅将光耦合到中心蝴蝶结对从而增加局域场增强的项目目标。金属同心环光栅主要实现将大面积的光收集到中心区域的功能，而位于金属同心环光栅中心的金属蝴蝶结对则进一步将金属光栅收集的能量耦合至蝴蝶结对的尖端区域，形成局域化的高增强场“热点”。该两级结构的耦合是金属光栅激发的等离激元行波与金属蝴蝶结对所产生的局域化的等离子共振驻波之间的耦合。为实现该两级结构的有效共振耦合，需要满足两个必要条件：一是金属同心环光栅与金属蝴蝶结对之间的边缘的间距越小越好，便于近场耦合；二是金属同心环光栅激发的等离激元行波在到达耦合边缘的相位要与蝴蝶结对结构中的局域化驻波的相位一致，从而形成两级共振增强。针对该金属同心环光栅-蝴蝶结对结构，实验上我们采用电子束曝光（EBL）的制作工艺，优化了制作工艺流程，在玻璃基底上成功制备了相应的金属同心环光栅-蝴蝶结对结构。为了进一步增加有效局域场增强区域，我们进一步设计了一种二维周期性V型金属等离子共振结构。该结构是一种隐型的两级共振结构，由单元V型槽及其所形成金属周期光栅产生两级Fano共振，其局域场共振区域为V型槽的尖端区域。局域场增强区域由蝴蝶结对结构的点延展到了线，大大增加了增强区域。同时，由于该结构的制备基于传统的硅加工工艺以及溅射镀膜工艺，可解决制备尖端结构时存在的间距与质量一致性的关键问题。针对金属等离子共振结构对拉曼散射增强的作用机理，我们设计了一种基于金属-介质圆盘结构的多模耦合的可调谐多波长等离子共振结构，并提出了基于多波长等离子共振结构的具有选择性的拉曼散射增强，提高拉曼散射中目标分子识别的信噪比。另外，我们针对金属薄膜表面的“热点”进行了研究，采用荧光小分子布朗成像的方法得到了其局域场增强的空间分布，根据其远小于光学衍射极限的空间分布特性，我们建立了在金属薄膜表面随机激发的等离激元相互干涉，并在干涉加强区域与局域共振的尖端结构形成共振的“热点”物理模型，与我们所研究的有序的金属光栅-蝴蝶结对的两级共振耦合结构相对应。