زائل الميدان Photoacoustics استنادا: تقييم العقارات للبصريات على السطوح

التقدم في فهم المواد البصرية ^{1،3،4،6،7،10،13-16} قدمت رؤى جديدة لخلق مواد رقيقة لمجموعة من الأجهزة البصرية، بما في ذلك الطلاء antireflection على العدسات، وارتفاع نسبة الانقراض البصرية مرشحات، والدليل الموجي لوح استيعاب غاية ^17. ومن شأن هذه التطورات لن يكون ممكنا من دون استخدام العديد من التقنيات التوصيف، مثل قياس إهليلجي ^4،6،18، قياس زاوية الاتصال، القوة الذرية المجهر ^7،11،19، والمجهر / نقل الإلكترون، والتي تساعد في تحسين تكرارية هذه التقنيات من خلال توفير التدابير المباشرة أو غير المباشرة تقديرات من خصائص المواد البصرية الأساسية. وقال الخصائص، مثل معامل الانكسار، يحكم كيفية تفاعل المواد مع الفوتونات الحادث الذي يؤثر تأثيرا مباشرا على وظيفتها واستخدامها في التطبيقات البصرية. ومع ذلك، كل هذه التقنيات والقيود المتعلقة resoluنشوئها، وإعداد العينات والتكلفة والتعقيد، ولكل يولد سوى مجموعة فرعية من البيانات اللازمة لوصف كامل للمادة. أن يقال، مجموعة جديدة من التقنيات، والمعروفة باسم photoacoustics زائل ميدانية (EFPA) ^{5،6،15،18،20-49} كما هو مبين في الشكل رقم 1، لديه القدرة على تقدير خصائص المواد على مقياس النانو في المجمعة مجموعة من التجارب. EFPA يشمل تقنيات فرعية من الانعكاس الكلي الداخلي الطيفي الضوئي (TIRPAS) ^{23،25،26،33-35،43-45،} التحليل الطيفي الضوئي / الانعكاس الكلي الداخلي الطيفي الضوئي الانكسار (PAS / TIRPAS الانكسار) ^18، والبصرية الضوئي نفق التحليل الطيفي (OTPAS) ^6، واستخدمت لتقدير بكميات كبيرة ورقيقة معامل الانكسار، سمك الفيلم، وكذلك للكشف عن المواد الماصة في المنشور / عينة أو واجهة الركيزة / عينة.

من أجل فهم آلية EFPA، واحديجب أولا أن نفهم مفهوم التحليل الطيفي الضوئي (PAS)، الذي يشير إلى توليد موجات الضغط بالموجات فوق الصوتية عن طريق التوسع thermoelastic السريع لحامل اللون، وبعد امتصاص نبضة فائقة قصيرة (<μsec) الضوء (الشكل 1). الإطار النظري والرياضي للتأثير الضوئي التي تمت مناقشتها في هذه الورقة يمكن الحصول عليها هنا ^50-59. التغير الناتج في الضغط يمكن الكشف عنها بواسطة ميكروفون بالموجات فوق الصوتية أو محول. هو التأثير الضوئي، اكتشفت أصلا في عام 1880 مع اختراع photophone الكسندر غراهام بيل، "اكتشافها" في 1970s في وقت مبكر بسبب التقدم في الليزر والتكنولوجيا الميكروفون، ووضع في نهاية المطاف إلى الاستخدام العملي لملء التطبيقات المتخصصة من التصوير الطبي الحيوي إلى رقيقة تحليل لغير المدمرة اختبار المواد. ^{1،53-57،59-82} هذا التأثير يمكن وصفه رياضيا مع المعادلات موجة ذات بعد واحد، حيث الموجة الإلكترونية هي مصدر الصوتية بسيط الذي ضغط (ع) يختلف في كل موقف (س) والساعة (ر):

مع حلول لمصادر الصوتية بسيطة من النموذج ⁶⁴

حيث p الضغط، Γ = αv _ق ² / C _ص حيث α هو حجم الحرارية معامل التمدد، والخامس _ق هي سرعة الصوت في الوسط، وC _p غير السعة الحرارية عند ضغط ثابت، H ₀ هو التعرض اشعاعا من شعاع الليزر، c هي سرعة الصوت في الوسط متحمس، x هو طول، و t هو الوقت. حجم الموجة الصوتية الناتجة يعتمد مباشرة على معامل الامتصاص الضوئي للمواد، ميكرون _لذلك، ثهيك هو عكس عمق الاختراق البصرية، δ، الذي هو بدوره على قدر من المسافة التي ينتقل بها الضوء حتى يضمحل إلى 1 / ه من شدة البصرية الأولية. بينما المعادلة (1) هي المعادلة العامة عن مصدر موجة طائرة واحدة الأبعاد، وامتصاص نموذجية تنبعث موجة صوتية كروية في ثلاثة أبعاد. ما وراء وصف رياضي، تطبيقات الضوئي تأثير ⁵⁴ امتداد العديد من طرائق التصوير مثل المجهر، التصوير المقطعي، وحتى التصوير الجزيئي نظرا لتأثير الضوئي وجود حساسية عالية نظرا لامتصاص بصري كبير بسبب الهيموغلوبين حامل اللون بشكل طبيعي. التطبيقات الأخرى من التأثير الضوئي حتى تشمل تقدير مختلف خصائص رقيقة ^{15،16،20،21،24،26-32،36-39،41،42،56،83،84.} ومع ذلك، PAS لديها بعض القيود: (1) واسعة عمق الاختراق البصرية لها يلغي القدرة على تحقيق الخصائص البصرية المجال القريب في السطوح (2) أنهكفاءة الصورة من التقاط الطاقة الصوتية المنبعثة منخفضة بسبب انتشار الكروي للغالبية من الطاقة بعيدا عن مجسات (3) يجب أن تشمل عينات حاملات في النظام الطول الموجي قيد النظر.

عندما جنبا إلى جنب مع تقنيات ميدانية زائل، ومع ذلك، فإن العديد من هذه القيود يمكن تحسينها. يحدث هذا المجال زائل عندما شعاع من الضوء يمر الانعكاس الكلي الداخلي (TIR)، كما وصفها قانون الانكسار، والذي أثر يسمح أيضا الدليل الموجي الألياف البصرية لتوجيه مسافات كبيرة الخفيفة (كم) لإجراء العمليات الحسابية والاتصالات السلكية واللاسلكية التطبيقات. في التطبيقات العملية، يتم استخدام الحقل زائل في مجموعة متنوعة من تقنيات توصيف والتصوير، بما في ذلك الموهن إجمالي الطيفي الانعكاس (ATR). ويتحقق التصوير مع التباين العالي ويرجع ذلك إلى الحبس من الضوء إلى داخل أول بضع مئات من نانومتر في عينة من الفائدة. يأخذ مجال زائل شكل exponentiallذ الحقل المتحللة التي تمتد إلى الوسط الخارجي إلى عمق الاختراق البصرية التي هي عادة بناء على أمر من الطول الموجي تستخدم (عادة ~ 500 نانومتر أو أقل) كما هو مبين في المعادلات 3 و 4.

حيث I هي شدة الضوء في٪ في ض الموقع من واجهة موشور / عينة، وأنا ₀ هو كثافة الضوء الأولية في المائة في واجهة، z غير مسافة في نانومتر، وδ _ف هو عمق الاختراق البصري كما هو مبين في المعادلة 4. مع مثل هذا عمق الاختراق بصري صغير، مجال زائل غير قادرة على التفاعل مع البيئة قريبة جدا من واجهة اثنين من المواد، وأقل بكثير من حدود الحيود البصرية والصوتية. الخصائص البصرية للمواد أو الجزيئات داخل هذا النطاق قد التشويش على مجال أو تغيير جيل، والتي تفاعل يمكن الكشف عنها من قبل مجموعة متنوعة من الأساليب ^3،5،6،10،15،17،18،21،23،25-27،29-47،84-95.

عندما يتم الجمع بين تقنيات زائل مع PAS، والطول الموجي الضوئي المنتجة يمكن أن تستخدم لتوصيف المواد أو الجسيمات المتفاعلة مع الحقل زائل، وخلق حقل زائل photoacoustics أساس (EFPA) عائلة من التقنيات، كما هو مبين في الشكل 1. وتشمل هذه العائلة، ولكن ليس على سبيل الحصر، الانعكاس الكلي الداخلي الطيفي الضوئي (TIRPAS)، نفق الضوئي الطيفي الضوئي (OTPAS)، وسطح مأكل الرنين الطيفي الضوئي (SPRPAS). وينبغي أن تشير القارئ المهتم إلى المراجع التالية الاشتقاقات من المعادلات المستخدمة لTIRPAS ^{5،6،18،23،25،26،33-35،43-47،} PAS / TIRPAS الانكسار ^18، وOTPAS ^6. في كل حالة، يتم إنشاء تأثير الضوئي من خلال آلية الإثارة مختلفة من النفاذية بسيطة من خلال المنشور. على سبيل المثال، في TIRPAS، وعلى ضوء evanescentlyجانب من خلال موشور / الركيزة / واجهة العينة إلى حاملات (والتي يمكن أن تشمل مادة العينة نفسها، أو جزيئات الضيف في غضون العينة)، في حين أنه في SPRPAS، الوسيلة الأساسية للإثارة هو بدلا من ذلك من خلال امتصاص من مأكل السطح، وهو موجة EM الثانوية التي تم إنشاؤها عندما يتم نقل الطاقة من مجال زائل في سحابة الإلكترون من طبقة معدنية تترسب على سطح المنشور. تم اختراع هذه العائلة من التقنيات أصلا في 1980s في وقت مبكر من قبل Hinoue وآخرون، وتحسينها بواسطة T. إناجاكي وآخرون مع اختراع SPRPAS، ولكن رأيت القليل جدا من التنمية بسبب القيود التقنية من مصادر الضوء ومعدات الكشف المتاحة . وفي الآونة الأخيرة، وقد أظهرت التحقيقات السابقة التي زادت حساسية وفائدة ممكنة مع فلوريد البولي فينيل الحديث (PVDF) للكشف عن الموجات فوق الصوتية وتحولت ف مخدر النيوديميوم الإيتريوم العقيق الألومنيوم (الثانية: YAG) ليزر. على وجه التحديد، النانوسيكند-نابض الثانية: YAGليزر تؤدي إلى 10 ⁶ أضعاف في ذروة السلطة، والتي تمكن تقنيات EFPA لتصبح أدوات مفيدة لتقييم الخصائص البصرية لمجموعة متنوعة من المواد واجهات ^{5،6،15،18،21-29،31-47،84 ، 96.} بالإضافة إلى ذلك، فقد أظهرت الأعمال السابقة كذلك قدرة هذه التقنيات لتحديد معلومات حول هيكلية المواد في واجهة، التي كانت في السابق أبدا للتحقيق مع تقنيات (PAS) التقليدي الضوئي الطيفي بسبب من عمق الاختراق كبير نسبيا ^{53،55،57،59، 61،62،69،73،75،80،81.}

يظهر هذه القدرة في البروتوكولات التي تتبع في ظل تقنية OTPAS. ومع ذلك، على مستوى أكثر عمقا من التقنيات الثلاث كل تعتمد على معادلة نهائية مختلفة، والذي يحدد قدرات التكنولوجيا. على سبيل المثال، في TIRPAS، وعمق الاختراق البصري للمجال زائل، δ _'ع، ويدفع في المقام الأول الصوتية الناتجة شدة الإشارة إلى عينة استيعاب، ويوصف من قبل:

حيث λ ₁ هو الطول الموجي للضوء السفر من خلال وسيلة المنشور ويعرف من قبل λ العلاقة ₁ = λ / ن ₁ حيث ن ₁ هو معامل انكسار مادة المنشور. بالإضافة إلى ذلك، θ يشير إلى زاوية من الإثارة، ون ₂₁ يشير إلى نسبة مؤشرات الانكسار من كل المتوسطة وتم تعريفه من قبل ن ₂₁ = ن ₂ / ن _1، ن ₂ حيث هو معامل الانكسار للمادة العينة. وكلما زاد عمق الاختراق البصرية، يجري المشع على المزيد من المواد. للتأثير الضوئي، وكلما زاد عمق الاختراق البصرية، والمزيد من المواد يتم السعادة التي يمكن أن تنتج الموجات الصوتية مما يؤدي إلى إشارة صوتية أكبر.

حيث n ₁ هو معامل الانكسار للموشور، θ ₁ هو زاوية السقوط في واجهة موشور / عينة، ن ₂ هو معامل الانكسار من العينة، وθ ₂ هو زاوية ضوء أن ينكسر من خلال ثاني متوسط. هو الدافع وراء حساسية تقدير معامل الانكسار من المواد في المقام الأول دقة تقدير θ _1. في الانعكاس الكلي الداخلي، والذي يتحقق عندما θ ₁ هو أبعد من الزاوية الحرجة التي تولد حقل زائل، والخطيئة θ ₂ = 1 وبالتالي، المعادلة 5 يقلل إلى n ₂ = ن ₁ sinθ _1. (ملاحظة: θ ₁ =θ _حاسمة) معرفة الزاوية التي مشتق العددية (DP / dθ حيث P هي الذروة إلى الذروة الجهد للإشارة الضوئي وθ هي الزاوية من الإصابة الخفيفة مع العينة) للإشارة الضوئي لديها يسمح الدنيا المحلية لتقدير θ ₁ التي تسمح للمستخدم إلى حل لن ₂ وبالتالي تقدير معامل الانكسار الجزء الأكبر من عينة كما هو مبين في الشكل 1.

وأخيرا، في OTPAS، المعادلة التالية تتعلق البث البصري في المائة إلى الذروة الضوئي إلى ذروة الجهد من قبل:

حيث T هو انتقال البصرية في المئة، ص هو الجهد الذروة إلى الذروة التي يولدها الطيف الزاوي ركيزة بفيلم عليه، ص ₀ هو الجهد الذروة إلى الذروة التي يولدها الطيف س الزاوياتحاد كرة القدم الركيزة، β هو ثابت اقتران استنادا إلى معامل الانكسار من المنشور والنفط الغمر، α هو عامل توهين، وهو أحد العوامل التي تشمل السمك ومعامل الانكسار للفيلم عينة في مجال زائل. حساسية هذه التقنية لسماكة وتحركها مؤشر الانكسار من دقة تقدير الذروة إلى الذروة شدة إشارة صوتية، ف ف ₀ في كل زاوية السقوط في الطيف الزاوي. وقد تبين أن β يمكن أن تحسب مباشرة استنادا إلى مؤشرات الانكسار من منظور والنفط غمر؛ وبالتالي، فإنه هو مهمة بسيطة لحساب انتقال البصرية في كل زاوية السقوط ومن ثم لاستخراج تقديرا لمعامل الانكسار وسمك الفيلم من خلال التحليل المناسب منحنى الإحصائي. وينبغي أن تشير القارئ المهتم إلى غولدشميت وآخرون. لمزيد من المعلومات. ^5،6

تانه EFPA النظام هو نظام قائم الضوئي قادر على تقدير سمك، رقيقة مؤشر فيلم الانكسار، الانكسار بالجملة، وتوليد الإشارات الصوتية من خلال امتصاص البصرية للكشف. ويتكون هذا النظام من الليزر، قطار البصرية لتوجيه الضوء على موشور / عينة وإلى جانب قياس طاقة الليزر. يتم استخدام جانب قياس الطاقة ليزر لتطبيع إشارة الضوئي إلى طاقة الليزر الحادث كما هو مبين في الشكل (2). هو الدافع وراء نظام EFPA من قبل سائق السائر المحركات لتدوير موشور / عينة للأطياف الزاوي في PAS / الانكسار TIRPAS وOTPAS . النظام يكتسب البيانات من خلال بطاقة اكتساب الرقمية ويوفر واجهة المستخدم والتحكم مرحلة الآلي من خلال برنامج في المنزل.