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随着纳米技术的迅猛发展和分析检测对象对表征方法空间分辨率要求的日益提高,各种纳米尺度表征和操纵技术受到人们的广泛重视。为同时实现对样品表面纳米尺度的形貌和物质成分与分子结构的表征,人们于2000年提出一种针尖增强拉曼光谱术(Tip Enhanced Raman Spectroscopy,TERS),作为一项利用近场光学增强效应的表面分析技术,它将扫描探针显微技术(Scanning Probe Microscopy,SPM)与表面等离激元增强拉曼光谱技术(Plasmon Enhanced Raman Spectroscopy,PERS)结合起来,利用纳米级金属针尖尖端附近经过局域电磁场增强的拉曼信号来对物质表面进行原位表征,可以同时提供物质表面的形貌信息和纳米限域空间内的拉曼光谱信息,具有高达几个纳米的空间分辨率和可达单分子检测限的高灵敏度。由于TERS技术不需要特殊的样品制备,理论上它的空间分辨率仅仅受限于扫描探针的尺寸和形状,加之其又具有极高的检测灵敏度,这些优点使其在表面科学、生物学、化学、半导体以及纳米科学等领域的研究有着巨大的应用前景。然而自本论文开题至今,仅有少数几家国外大型厂商推出了商品化TERS仪器,而这些仪器都存在结构冗杂、体积庞大、不易操作、兼容性差以及成本高昂等问题,这使得TERS技术的推广应用受到了极大的限制。因此,发展一套高灵敏度、高稳定性、集成一体化的TERS仪器对于推动TERS技术走向实际应用,并促进我国纳米尺度光谱学领域的发展具有重要的意义。TERS因其能够提供分子指纹信息的纳米级空间分辨率和单分子检测灵敏度而日益受到关注。为了克服限制TERS广泛应用的商用仪器复杂性和实验室自制仪器稳定性不足等问题,本论文设计了一套可与多种类型的SPM相耦合的高灵敏度、高稳定性的集成一体化TERS光学系统。该光学系统通过45°edge滤光片将激发收集光路与拉曼光谱分光光路以自由空间光方式直接耦合,减少了光学信号的损耗,提升了光学信号检测的灵敏度;可移动薄膜分光镜组将白光照明和显微成像光路耦合进光学系统,极大的简化了光学系统的复杂度;特别设计的白光均匀照明光路提升了显微系统的成像质量;通过采用可调开合大小狭缝和经过消彗差和消球差设计的M型Czerny-Turner光谱分光结构提升了光谱分辨率和灵敏度。整个光学系统具有380×180×70mm3的小型尺寸,整体重量低于3kg,具有高灵敏度、高分辨率以及便携式的特点。通过三维时域有限差分法(Three-dimensional finite-difference time-domain,3D-FDTD)建立TERS电磁场仿真模型,分析了偏振激光的入射角度和局域电磁场增强系数的关系,将本文所研制的一体式光学系统与STM探头以60°的激发收集角进行耦合,测得了4-PBT分子的增强TERS信号,实验结果表明整个一体式光学系统采集光学信号的灵敏度和分辨率达到了TERS应用要求。