飞秒激光双脉冲空气中一步法制备金属拉曼基底的制作方法

本发明涉及一种飞秒激光双脉冲在空气中一步法制备金属表面增强拉曼基底，属于飞秒激光应用技术领域。

背景技术：

表面拉曼增强散射surface-enhancedramanscattering(简称sers)是一种光学增强效应，可以将吸附在基底上分子的微弱信号增强10²-10¹⁴倍。因此，表面拉曼增强散射技术在物理、化学、医学、环境监测等方面具有很大的发展潜力。传统的表面增强拉曼基底的制备方法有离子束刻蚀法、离子束溅射沉积法、真空镀膜、化学合成法等方法，但这些方法存在步骤繁琐、费用昂贵、污染环境、均匀性差等缺点。随着飞秒激光技术的不断发展，飞秒激光加工表面微纳结构成为一种简便、有效的表面加工技术，也为制备表面增强拉曼基底提供了一种新的思路。

贵金属纳米粒子可以产生较强的表面拉曼增强效应。在文章“cheng-hsianglin,lanjiang,andhai-lungtsai,opt.lett.35,7(2010)”中作者利用纳秒激光对镀在硅表面的金膜进行加热，产生了金纳米颗粒，通过调节参数调控了金纳米颗粒的粒径分布，从而使其产生了较强的拉曼增强效应。在文献“ning,zhang,xin,li,lan,jiang,xuesong,shi,cong,li,yongfeng,lu.opt.lett.38,18(2013)”中，作者利用飞秒激光还原硝酸银，在硅的表面产生了银纳米颗粒，从而得到了表面拉曼增强基底。然而上述两种产生贵金属纳米粒子的方法加工周期较长，离子镀膜费用较高，光化学还原法容易对环境产生污染。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服传统制备表面增强拉曼基底存在的步骤繁琐、费用昂贵、污染环境、均匀性差等缺点，提出了一种飞秒激光双脉冲一步法制备表面增强拉曼基底，利用飞秒激光双脉冲，在不同延时下，直接在空气环境下加工金属基底，其中所述加工采用的金属为金、银、铜，无需其他辅助环境，从而得到表面附着金属纳米颗粒的表面增强拉曼基底。

本发明的目的是通过以下技术来实现的：

飞秒激光双脉冲空气中一步法制备金属拉曼基底，即在空气中利用飞秒激光双脉冲一步法加工得到附着有金属纳米颗粒的加工区域，无需其他辅助环境，包括如下步骤：

步骤一，通过分束合束，将传统的飞秒激光脉冲在时域上通过迈克尔逊干涉装置调制为飞秒激光双脉冲，且两个子脉冲的时间间隔可以调节；

步骤二，将金属基底放置在六轴平移台上，通过照明系统和ccd系统，使步骤一得到的飞秒激光聚焦到金属的表面；

步骤三，采用步骤一中所得到的飞秒激光双脉冲在空气中对金属基底进行加工，使其表面产生金属纳米颗粒，进而得到均匀、高效的表面增强拉曼基底。

装置包括：飞秒激光器；第一半波片；第一偏振片；分束镜；第一反射镜；第二反射镜；第三反射镜；光快门；第二半波片；第二偏振片；二向色镜；ccd成像系统；计算机；六轴平移台；样品；物镜。

连接关系：飞秒激光器产生飞秒激光经过第一半波片和第一偏振片初步降低能量后，经过分束镜被分成两束激光，两束激光分别由第一反射镜和第二反射镜反射返回至分束镜进行合束，再经过反射镜，通过光快门，经由第二半波片和第二偏振片精细地调节能量后，通过反射镜，由物镜聚焦到样品表面，样品固定于六轴平移台上，通过ccd成像系统进行观察。其中，飞秒激光器、第一反射镜、光快门、六轴平移台均通过计算机进行控制。

工作过程为：

步骤一：飞秒激光器产生激光。

步骤二：激光通过分束合束后产生脉冲序列，且脉冲序列延时可调节，之后通过物镜聚焦到样品表面。

步骤三：通过计算机控制得到不同的脉冲延时，同时通过半波片和偏振片调节能量，控制六轴平移台对金属进行加工。

有益效果

1.本发明利用飞秒激光双脉冲在空气中一步法加工金属表面，步骤简单，对环境没有污染。

2.本发明制备的表面增强拉曼基底均匀性良好，可以进行快速制备。

附图说明

图1为本发明的步骤示意图。

其中，1-飞秒激光双脉冲2-物镜3-未加工金属基底4-加工后金属基底5-加工表面放大示意图

图2为飞秒激光加工光路。

其中，1-飞秒激光器2-第一半波片3-第一偏振片4-分束镜5-第一反射镜6-第二反射镜7-第三反射镜8-光快门9-第二半波片10-第二偏振片11-二向色镜12-ccd成像系统13-计算机14-六轴平移台15-样品16-物镜

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

飞秒激光系统采用美国光谱物理(spectrumphysics)公司生产的激光器，产生的飞秒激光为线偏振，中心波长800nm，脉冲宽度35fs，重复频率1khz，单脉冲最大能量3mj，光强分布为高斯型。

本实施例是在图2所示的光路图中实施，首先飞秒激光器产生飞秒激光经过第一半波片和第一偏振片初步降低能量后，经过分束镜被分成两束激光，两束激光分别由第一反射镜和第二反射镜垂直反射返回至分束镜进行合束，再经过反射镜，通过光快门，经由第二半波片和第二偏振片精细地调节能量后，通过反射镜，由物镜聚焦到样品表面，样品固定于六轴平移台上，通过ccd成像系统进行观察。其中，飞秒激光器、第一反射镜、光快门、六轴平移台均通过计算机进行控制。

实验选择的材料为金属银，规格是10mm×10mm×1mm，双面进行光学级抛光，表面粗糙度小于10埃。

步骤如图1所示。

步骤一：飞秒激光器产生激光。

步骤二：飞秒激光经过分束合束光路，产生飞秒激光双脉冲，之后通过物镜聚焦到样品表面。

步骤三：通过计算机控制得到脉冲延时为3ps，同时通过半波片和偏振片调节合适的能量为0.28j/cm²，扫在描速度为200μm/s下对样品表面进行“s”形路线加工，在样品表面直接得到银纳米颗粒。

步骤四：用去离子水清洗加工过的样品表面，干燥，得到表面增强拉曼基底。

本实施例克服了传统制备表面增强拉曼基底方法存在的步骤繁琐、费用昂贵、污染环境、均匀性差等缺点，利用飞秒激光双脉冲，直接在空气环境下加工金属银基底，从而得到表面附着银纳米颗粒的表面增强拉曼基底，其增强因子可以达到10⁹。

技术特征：

技术总结
本发明涉及飞秒激光双脉冲空气中一步法制备金属拉曼基底，属于飞秒激光应用技术领域。本发明利用飞秒激光双脉冲，在不同延时下，直接在空气环境下加工金属基底，其中所述加工采用的金属为金、银、铜，无需其他辅助环境，从而得到表面附着金属纳米颗粒的表面增强拉曼基底。该方法可实现简单、快速、环境友好、均匀的金属表面增强拉曼基底制备。

技术研发人员：姜澜;许永达;李欣;孟革
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：2016.11.16
技术公布日：2017.07.25