本發(fā)明涉及光學加工領域，特別是涉及光譜學元件的制備方法及制作該光譜元件的裝置。

背景技術：

拉曼光譜是物質分子的“指紋”光譜，可以用來有效反映待測分子的結構特征信息的分析技術，但研究發(fā)現(xiàn)，經過散射后觀察所得到的信號強度非常的弱，檢測信號常常被淹沒在噪聲中，這一缺點曾經一度的限制了其在實際的檢測分析方面的應用。Fleischmann等人于1974年對光滑銀電極表面進行粗糙化處理后，首次獲得吸附在銀電極表面上單分子層吡啶分子的高質量的拉曼光譜。隨后Van Duyne及其合作者通過系統(tǒng)的實驗和計算發(fā)現(xiàn)吸附在粗糙銀表面上的每個吡啶分子的拉曼散射信號與溶液相中的吡啶的拉曼散射信號相比，增強約6個數(shù)量級，指出這是一種與粗糙表面相關的表面增強效應，被稱為表面增強拉曼光譜效應。

利用表面增強拉曼散射技術檢測之時，基于基底金屬表面的粗糙化的結構特征，其分子信號的增強效果非常明顯，而且它在檢測過程中所具有的對待測的物質的非破壞性及高效的優(yōu)良性能，使得表面增強拉曼散射效應在發(fā)現(xiàn)以來得以應用于眾多的科學領域。眾所周知，增強基底的制備是獲得較好拉曼光譜信號的關鍵；納米線、納米顆粒、樹枝晶、納米薄膜、納米陣列、核.殼結構等都可以作為拉曼光譜增強基底。在近幾年的研究發(fā)展中，拉曼增強基底的制備一直以來備受研究者的重視，高效穩(wěn)定的拉曼增強基底對于分子檢測的過程起著至關重要的作用；它往往需要具有一定規(guī)律有序的粗糙性結構才更能有利于測試過程中分子信號的增強。

制作表面拉曼增強基底最常用的方法是分子自組裝法，氧化鋁模板(AAO)制備法，貴金屬溶膠制備法，電子束曝光制備法等。分子自組裝法，較難制作出大面積的周期性排布的表面拉曼增強基底。氧化鋁模板制備法制作表面拉曼增強基底工藝復雜，較難控制。貴金屬溶膠制備法制作出的表面拉曼增強基底的增強活性與周期性差。電子束曝光制備法的設備成本高，制作時間較長，無法完成大面積的周期性微結構的基底。因此很有必要尋求一種新方法來制作大面積的周期性微結構的表面拉曼增強基底，來解決上述問題。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于通過簡單的方法與設備來得到大面積周期性的表面拉曼增強基底。根據(jù)本發(fā)明的目的提出了一種全息制作表面拉曼增強基底的方法，具體的制作步驟如下：

1)在潔凈的光柵基片上旋涂光刻膠薄膜；

2)對光刻膠薄膜烘烤，堅膜；

3)在所述的光刻膠薄膜的正交方向上以二次曝光的方式全息干涉光刻；具體步驟為在光刻膠薄膜上完成第一次曝光后，將光柵基片旋轉90°，進行第二次曝光，通過兩次正交曝光的方式在光刻膠薄膜上記錄二維全息干涉條紋；

4)對已曝光好的光柵進行實時顯影，制作表面浮雕光刻膠光柵；

5)在光刻膠光柵表面用鍍膜設備鍍一層表面增強拉曼散射金屬活性層。所述的表面增強拉曼散射金屬活性層由金、銀、銅、鐵、鈷、鎳至少一種組成。理論上其他已知的非金屬或者化合物能夠起到拉曼散射活性增強作用的材料都可以使用。

上述技術方案中，步驟1)中，涂布的光刻膠薄膜，旋涂厚度180nm～220nm；步驟5)在光刻膠光柵上用鍍膜設備鍍一層厚度為180nm～220nm的表面增強拉曼散射金屬活性層。

步驟2)光刻膠堅膜過程：在室溫下將涂好光刻膠薄膜的光柵基片放入潔凈烘箱中，平穩(wěn)地加熱至90℃左右，在此溫度下停留1小時，最后將烘箱自然緩慢降至室溫后取出已烘烤的光柵基片，干燥備用。

步驟3)采用兩束相干光對光刻膠進行正交光刻，單光束強度為60lux～80lux，第一次曝光時間約為30s～40s，第二次曝光時間約為15s～20s；步驟4)對光刻膠進行實時顯影，顯影時間約為30s～40s，得到表面浮雕型的光刻膠光柵。

基于上述的表面拉曼增強基底的制作方法，本發(fā)明還提供一種全息制作表面拉曼增強基底的光刻系統(tǒng)。

一種全息制作表面拉曼增強基底的光刻系統(tǒng)，包括激光器、光線傳播方向上依次設置的用于調整激光器發(fā)出光偏振態(tài)的四分之一波片、格蘭偏振棱鏡、光線經過格蘭偏振棱鏡后透射光路上設置的反射鏡、用于將TM偏振光換成TE偏振光的半波片、光線經過格蘭偏振棱鏡后反射光路上設置的反射鏡、設置于透射光路與反射光路相干處的涂有光刻膠薄膜的光柵基片；其中光線經過格蘭偏振棱鏡后的透射光為TM偏振光、光線經過格蘭偏振棱鏡后的反射光為TE偏振光。

上述技術方案中，為了得到更清晰的干涉條紋，旋轉四分之一波片，使得兩束光的光強一致，反射光和透射光關于光柵基片的中心線對稱分布。

上述技術方案中，如果需要獲得不同周期的光柵只需要在透射光路與反射光路的兩塊反射鏡上設置用于控制光線入射角的同步反向旋轉電機，實現(xiàn)一塊反射鏡旋轉角度另一塊反射鏡同步反方向旋轉相同的角度，根據(jù)公式λ＝2dSinθ，其中λ是激光波長，d是光柵周期，θ是兩束相干光的夾角的一半，控制兩塊反射鏡同步反向旋轉，精密控制兩束相干光的夾角，從而精密控制光柵的周期。

上述技術方案中，為了便于在光刻膠薄膜的正交方向上以二次曝光的方式全息干涉光刻，還設置有用于裝夾光柵基片的旋轉曝光支架，其可旋轉角度大于等于90度；第一次曝光結束后，控制旋轉曝光支架旋轉90°，進行第二次曝光，在光刻膠上記錄二維全息干涉條紋。

上述技術方案中，采用記錄激光波長為413.1nm，通過調整激光器的輸入電流，控制單束光強為60～80lux。第一次曝光時間為30s～40s；第二次曝光時間為15s～20s。

由于上述技術方案運用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有下列優(yōu)點：

1.制作工藝簡單，易于批量化生產。

2.容易精確控制拉曼增強基底的周期性結構；只需要通過控制同步反向運動電機就可以改變光柵的周期性結構。

制作具有一定規(guī)律有序排列的粗糙性結構是制作拉曼增強基底的關鍵步驟，本發(fā)明的技術方案利用了光線干涉條紋周期性分布并且條紋形狀的可控特征，在光刻膠薄膜上，采用正交全息干涉光刻方案制作表面拉曼增強基底，在光刻膠薄膜上記錄正交的干涉條紋，通過實時顯影，形成表面浮雕型的光刻膠光柵，最后在光刻膠光柵上用鍍膜設備鍍表面增強拉曼散射金屬活性層，得到二維金屬活性層拉曼增強基底；通過控制兩束相干光的夾角就可以精密控制光柵的周期，進而方便的獲得不同周期結構的拉曼增強基底。成功解決了用簡單的方法與設備來得到大面積周期性的表面拉曼增強基底的技術難題。

附圖說明

圖1全息制作表面拉曼增強基底的工藝流程；

圖2全息制作表面拉曼增強基底的光刻系統(tǒng)；

圖3顯影光學系統(tǒng)示意圖；

其中，1為四分之一波片；2為格蘭偏振棱鏡；3為反射鏡；4為半波片；5為光柵基片；6為反射鏡；7為同步反向旋轉電機；8為同步反向旋轉電機；9為旋轉曝光支架；10為半導體激光器；11為顯影槽；12為透鏡；13為光電探測器。

具體實施方式

為了更清楚地說明本發(fā)明或現(xiàn)有的裝置，下面結合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步描述。

實施例一：一種全息制作表面拉曼增強的方法，如圖1所示，包括以下幾個制作步驟：

1)旋涂光刻膠薄膜：用無塵布和有機溶劑清潔光柵基片，啟動涂布機自帶抽真空設備在涂布開始前抽真空，控制涂布機的旋轉速度，光刻膠薄膜的涂布厚度180nm；

2)烘烤堅膜：在室溫下將涂好光刻膠薄膜的光柵基片放入潔凈烘箱中，迅速平穩(wěn)地加熱至90℃左右，在此溫度下停留1小時，最后將烘箱自然緩慢降至室溫后取出已烘烤的光柵基片，干燥備用；

3)光刻膠薄膜的正交方向上以二次曝光的方式全息干涉光刻；如圖2所示，激光器產生的激光經過四分之一波片1可以調節(jié)激光的偏振態(tài)，經過格蘭偏振棱鏡2分成兩束偏振光，透射光為TM偏振光，反射光為TE偏振光，透射光經過半波片4轉換成TE偏振光，產生兩束相干光。反射光和透射光關于光柵基片5的中心線對稱分布。通過旋轉四分之一波片，使得兩束光的光強一致，產生對比度最好的干涉條紋。反射鏡3與反射鏡4分別設置于同步反向旋轉電機8與同步反向旋轉電機7上，不同周期的光柵只需要控制兩個反射鏡同步反向旋轉。根據(jù)公式λ＝2dSinθ，其中λ是激光波長，d是光柵周期，θ是兩束相干光的夾角的一半?？刂苾蓧K反射鏡同步反向旋轉，精密控制兩束相干光的夾角，從而精密控制光柵的周期。第一次曝光結束后，控制旋轉曝光支架9旋轉90°，進行第二次曝光，在光刻膠上記錄二維全息干涉條紋。本發(fā)明中采用記錄激光波長為413.1nm，通過調整激光器的輸入電流，控制單束光強為60lux。第一次曝光時間控制在30s；第二次曝光時間控制在15s。

4)顯影裝置：如圖3所示，將曝光好光柵基片的固定在顯影架上，將光柵基片浸入充滿顯影液的顯影槽11中，調整半導體激光器10及透鏡12的位置，接收到光柵的-1級衍射光，實時監(jiān)控衍射光的強度，控制顯影時間在30s，由光電探測器13接收衍射光，當衍射光的強度下降至最大值的70％，停止顯影，用去離子水沖洗光刻膠光柵；

5)用鍍膜設備鍍表面增強拉曼散射金屬活性層：在光刻膠光柵上面蒸鍍一層180nm～220nm厚的金膜。

實施例二：一種全息制作表面拉曼增強的方法，如圖1所示，包括以下幾個制作步驟：

1)旋涂光刻膠薄膜：用無塵布和有機溶劑清潔光柵基片，啟動涂布機自帶抽真空設備在涂布開始前抽真空，控制涂布機的旋轉速度，光刻膠薄膜的涂布厚度220nm；

2)烘烤堅膜：在室溫下將涂好光刻膠薄膜的光柵基片放入潔凈烘箱中，迅速平穩(wěn)地加熱至90℃左右，在此溫度下停留1小時，最后將烘箱自然緩慢降至室溫后取出已烘烤的光柵基片，干燥備用；

3)光刻膠薄膜的正交方向上以二次曝光的方式全息干涉光刻；如圖2所示，激光器產生的激光經過四分之一波片1可以調節(jié)激光的偏振態(tài)，經過格蘭偏振棱鏡2分成兩束偏振光，透射光為TM偏振光，反射光為TE偏振光，透射光經過半波片4轉換成TE偏振光，產生兩束相干光。反射光和透射光關于光柵基片5的中心線對稱分布。通過旋轉四分之一波片，使得兩束光的光強一致，產生對比度最好的干涉條紋。反射鏡3與反射鏡4分別設置于同步反向旋轉電機8與同步反向旋轉電機7上，不同周期的光柵只需要控制兩個反射鏡同步反向旋轉。根據(jù)公式λ＝2dSinθ，其中λ是激光波長，d是光柵周期，θ是兩束相干光的夾角的一半?？刂苾蓧K反射鏡同步反向旋轉，精密控制兩束相干光的夾角，從而精密控制光柵的周期。第一次曝光結束后，控制旋轉曝光支架9旋轉90°，進行第二次曝光，在光刻膠上記錄二維全息干涉條紋。本發(fā)明中采用記錄激光波長為413.1nm，通過調整激光器的輸入電流，控制單束光強為80lux。第一次曝光時間控制在40s；第二次曝光時間控制在20s。

4)顯影裝置：如圖3所示，將曝光好光柵基片的固定在顯影架上，將光柵基片浸入充滿顯影液的顯影槽11中，調整半導體激光器10及透鏡12的位置，接收到光柵的-1級衍射光，實時監(jiān)控衍射光的強度，控制顯影時間在40s，由光電探測器13接收衍射光，當衍射光的強度下降至最大值的90％，停止顯影，用去離子水沖洗光刻膠光柵；

5)用鍍膜設備鍍表面增強拉曼散射金屬活性層：在光刻膠光柵上面蒸鍍一層180nm～220nm厚的銀膜。

實施例三：一種全息制作表面拉曼增強基底的光刻系統(tǒng)，包括激光器、激光器產生的激光經過四分之一波片1可以調節(jié)激光的偏振態(tài)，經過格蘭偏振棱鏡2分成兩束偏振光，透射光為TM偏振光，反射光為TE偏振光，透射光經過半波片4轉換成TE偏振光，產生兩束相干光。反射光和透射光關于光柵基片5的中心線對稱分布。在透射光路與反射光路的兩塊反射鏡上設置用于控制光線入射角的同步反向旋轉電機，實現(xiàn)一塊反射鏡旋轉角度另一塊反射鏡同步反方向旋轉相同的角度，根據(jù)公式λ＝2dSinθ，其中λ是激光波長，d是光柵周期，θ是兩束相干光的夾角的一半，控制兩塊反射鏡同步反向旋轉，精密控制兩束相干光的夾角，從而精密控制光柵的周期；還設置有用于裝夾光柵基片的旋轉曝光支架，其可旋轉角度大于等于90度；第一次曝光結束后，控制旋轉曝光支架旋轉90°，進行第二次曝光，在光刻膠上記錄二維全息干涉條紋。

上述技術方案中，采用記錄激光波長為413.1nm，通過調整激光器的輸入電流，控制單束光強為60～80lux。第一次曝光時間為30s～40s；第二次曝光時間為15s～20s。