飞秒涡旋光束对银材料的纳米结构化处理，以及基于表面增强拉曼散射（SERS）技术的高效检测多种爆炸物

《Applied Surface Science》：Femtosecond vortex beam nanostructuring of silver and SERS-based efficient detection of multiple explosives

飞秒涡旋光束消蚀制备银纳米结构并应用于表面增强拉曼散射检测，比较不同拓扑电荷涡旋光束与高斯光束的消蚀效果，发现涡旋光束诱导的激光周期表面结构(LIPSS)形态差异显著，并成功应用于硝酸铵、Tetryl和苦杏仁酸等危险物质的痕量检测，展现出优异的增强因子。

　　表面纳米结构化技术在光子学、生物传感、环境监测等多个领域展现出广阔的应用前景。近年来，飞秒激光脉冲技术因其高精度、低热影响等优势，成为制造纳米结构的有力工具。在这一背景下，利用飞秒涡旋光束（fs-VB）进行表面纳米结构化成为一项新兴的研究方向，尤其受到科研人员的关注。涡旋光束因其独特的螺旋波前和相位奇点特性，能够诱导出精细的表面纳米结构，为表面工程提供了新的可能性。本文探讨了使用不同拓扑电荷的涡旋光束对银表面进行纳米结构化，并进一步评估了这些结构在表面增强拉曼散射（SERS）中的应用潜力。

在研究中，科研人员采用螺旋相位板（SPP）生成了三种类型的飞秒涡旋光束：拓扑电荷为1的涡旋光束（TC-1）、拓扑电荷为2的涡旋光束（TC-2）以及拓扑电荷为1的正方形涡旋光束（SVB）。通过将这些光束聚焦于银表面，成功制备出具有不同形态特征的纳米结构。实验结果显示，这些结构在激光诱导周期性表面结构（LIPSS）的形成方面表现出显著差异。LIPSS是由入射光与表面电磁波（SEW）干涉而形成的自组织纳米级波纹，其特征与激光脉冲的形状密切相关。相比传统的高斯光束（GB）处理，涡旋光束能够产生更为复杂且具有特定方向性的表面结构，这为增强拉曼信号提供了新的途径。

研究团队通过场发射扫描电子显微镜（FESEM）对表面形貌进行了详细分析。结果显示，不同拓扑电荷和涡旋形状的光束对银表面纳米结构的分布和形态产生了显著影响。例如，TC-1和TC-2的涡旋光束在银表面形成了不同尺度的周期性结构，而SVB则在特定区域产生了独特的几何形状。这种多样性不仅拓展了纳米结构设计的可能性，也为不同应用场景下的材料优化提供了依据。此外，涡旋光束在中心区域的能量为零，而在边缘区域能量较高，这种能量分布特性有助于形成具有特定功能的纳米结构，如增强的电磁热点。

为了验证这些纳米结构在SERS中的性能，研究团队将其用作活性基底，用于检测多种有害物质，包括硝酸铵（AN）、四硝基甲苯（Tetryl）和苦味酸（PA）。实验结果表明，这些基于涡旋光束处理的银纳米结构在痕量检测中表现出优异的增强效果。SERS技术的核心在于其对分子振动信号的增强能力，这种增强主要来源于电磁增强和化学增强两种机制。电磁增强主要依赖于金属纳米结构中局部表面等离子体共振（LSPR）的激发，而化学增强则源于分子与金属表面之间的电荷转移。其中，电磁增强对SERS信号的提升更为显著，通常可使信号强度增加数个数量级。因此，通过涡旋光束诱导的纳米结构设计，能够有效提高SERS的检测灵敏度，从而实现对痕量分子的实时监测。

研究团队还对涡旋光束处理与高斯光束处理后的银表面进行了系统对比。在表面形貌方面，涡旋光束处理的样品显示出更为精细的结构，而高斯光束处理则倾向于形成较为均匀的表面特征。在纳米结构分布上，涡旋光束处理的样品呈现出更高的定向性和周期性，这可能与光束的螺旋波前特性有关。此外，在SERS性能方面，涡旋光束处理的样品表现出更高的信号增强因子，特别是在特定波长下的拉曼增强效果更为突出。这些结果表明，涡旋光束在纳米结构工程中具有独特的优势，能够为SERS技术提供更高效的表面基底。

实验过程中，研究团队采用了飞秒脉冲激光在空气中进行表面处理（PLAA），这种方法能够有效减少热影响，提高结构的可控性和可重复性。通过调整脉冲能量、重复频率以及光束的拓扑参数，科研人员能够精细调控纳米结构的尺寸和形状。这种可控性对于开发具有特定功能的纳米材料至关重要。例如，在生物传感领域，纳米结构的尺寸和形状直接影响其对目标分子的吸附能力和检测灵敏度；在抗反射表面设计中，纳米结构的排列方式决定了其光学性能。因此，涡旋光束在纳米结构工程中的应用不仅限于SERS技术，还可能拓展到其他需要精确表面控制的领域。

值得注意的是，涡旋光束的引入为激光-物质相互作用提供了新的视角。传统的高斯光束虽然在表面处理中广泛应用，但其均匀的能量分布难以实现对特定区域的精确控制。而涡旋光束由于其独特的能量分布特性，可以在不损伤材料整体结构的前提下，对特定区域进行选择性加工。这种能力对于开发具有功能梯度的材料尤为重要。例如，在多层复合材料中，不同区域可以具有不同的表面特性，从而实现多功能集成。此外，涡旋光束还可以用于制造具有特定几何形状的纳米结构，如螺旋形、多边形等，这些结构在光学、电磁波调控等方面可能具有独特的性能。

在实际应用中，涡旋光束处理的银纳米结构已被成功用于痕量物质的实时检测。硝酸铵（AN）是一种常见的爆炸物，其检测在安全领域具有重要意义；四硝基甲苯（Tetryl）和苦味酸（PA）则属于高能炸药，常用于军事和工业应用。通过SERS技术，这些物质的分子特征可以被精确捕捉，从而实现高灵敏度、高选择性的检测。研究团队通过实验验证了这些纳米结构在检测不同物质时的性能，结果表明其具有出色的检测能力和可重复性。这不仅为SERS技术在实际检测中的应用提供了新的思路，也为开发新型的高灵敏度传感器奠定了基础。

从材料科学的角度来看，涡旋光束处理技术为金属纳米结构的制备提供了新的方法。银作为一种常见的贵金属，具有优异的导电性和光学特性，是SERS技术中常用的材料。然而，传统的纳米结构制备方法往往需要复杂的化学处理或昂贵的设备，而飞秒涡旋光束处理则提供了一种更简便、更经济的方式。通过优化光束参数，如拓扑电荷、脉冲能量和光束形状，科研人员能够灵活地调控纳米结构的形成过程，从而满足不同应用的需求。此外，涡旋光束处理还能够实现大面积、高均匀性的纳米结构制备，这对于工业应用和大规模生产具有重要意义。

在研究过程中，科研团队还发现，涡旋光束的拓扑电荷对纳米结构的形成具有显著影响。例如，TC-1和TC-2的涡旋光束在银表面产生了不同尺度的LIPSS，而SVB则在特定区域形成了独特的几何结构。这些结构的差异可能源于光束的相位分布和能量传递方式的不同。因此，进一步研究不同拓扑电荷对纳米结构形成的影响，有助于深入理解涡旋光束在表面工程中的作用机制，并为优化纳米结构设计提供理论依据。

此外，研究团队还关注了涡旋光束处理对表面粗糙度和形貌均匀性的影响。相比传统的高斯光束处理，涡旋光束处理能够更有效地控制表面结构的形成，减少不必要的表面损伤，提高结构的均匀性和可重复性。这种特性对于开发高质量的SERS基底尤为重要，因为表面粗糙度和均匀性直接影响拉曼信号的增强效果。因此，通过精确调控涡旋光束的参数，科研人员可以制备出具有优异性能的SERS基底，从而提高检测的准确性和可靠性。

综上所述，飞秒涡旋光束在表面纳米结构化中的应用展现出巨大的潜力。其独特的能量分布和相位特性使得科研人员能够精确控制纳米结构的形成过程，从而实现对材料表面的高效调控。通过实验验证，涡旋光束处理的银纳米结构在SERS检测中表现出优异的性能，为痕量物质的实时检测提供了新的技术路径。未来，随着对涡旋光束作用机制的深入研究，以及对纳米结构设计的进一步优化，这项技术有望在更多领域得到应用，推动纳米材料科学和表面工程的发展。