חלוף שדה בהתבסס Photoacoustics: הערכת נכס אופטית על משטחים

התקדמויות בהבנת חומרים אופטיים ^{1,3,4,6,7,10,13-16} סיפקו תובנות חדשות על יצירה של חומרים סרט דק עבור שורה של מכשירים אופטיים, כולל ציפויים antireflection על עדשות, יחס הכחדה גבוהה אופטי מסננים, ו ^-17 בגלבו לוח קולטת מאוד. הפיתוחים האלה לא יהיה אפשרי ללא שימוש בטכניקות אפיון רבים, כגון ellipsometry ^4,6,18, מדידת זווית המגע, מיקרוסקופ כוח אטומי ^7,11,19, וכן במיקרוסקופ אלקטרונים סורק / שידור, אשר מסייעים בשיפור איטרטיבי של טכנולוגיות אלה על ידי מתן אמצעים ישירים או עקיפות הערכות של תכונות חומר אופטיות יסוד. אמר תכונות, כגון המקדם השביר, להסדיר את האופן שבו חומרי אינטראקציה עם פוטוני אירוע, אשר משפיע על התפקוד שלהם ישירות והשימוש בם יישומים אופטיים. עם זאת, כל הטכניקות האלה יש מגבלות הנוגעות resolution, הכנת מדגם, עלויות ומורכבות, וכל אחד מייצרים רק קבוצת משנה של הנתונים הדרושים כדי לאפיין את החומר במלואו. עם זאת, קבוצה חדשה של טכניקות, המכונה photoacoustics שדה מבוססי חלוף (EFPA) ^{5,6,15,18,20-49} כפי שמוצג באיור 1, הוא בעל פוטנציאל להעריך תכונות החומר הננומטרי בתוך המאוחדים קבוצה של ניסויים. EFPA מקיף את-טכניקות משנה של ספקטרוסקופיה photoacoustic החזרה גמורה (TIRPAS) ^{23,25,26,33-35,43-45,} ספקטרוסקופיה photoacoustic / refractometry ספקטרוסקופיה פנימית מוחלטת השתקפות photoacoustic (PAS / TIRPAS refractometry) ^18, ו photoacoustic מנהור אופטי ספקטרוסקופיה (OTPAS) ^6, ויש בו נעשה שימוש כדי להעריך בתפזורת ואת מקדם שבירת סרט דק, עובי סרט, כמו גם לזהות אמצעי סופגים בכל ממשק פריזמה / מדגם או מצע / מדגם.

על מנת להבין את מנגנון EFPA, אחדצריך קודם להבין את המושג של ספקטרוסקופיה photoacoustic (PAS), אשר מתייחסת לדור של גלי לחץ קוליים על ידי ההתרחבות המהירה thermoelastic של chromophore, בעקבות הספיגה של דופק אולטרה קצר (<μsec) אור (איור 1). מסגרת תיאורטית ומתמטית להשפעת photoacoustic שנדון במאמר זה ניתן להשיג כאן ^50-59. השינוי וכתוצאה מכך לחץ יכול להיות מזוהה על ידי מיקרופון או מתמר אולטראסאונד. ההשפעה photoacoustic, במקור גילה בשנת 1880 עם המצאת פוטופון של אלכסנדר גרהם בל, היה "מחדש" בתחילת שנות ה -1970 בשל התקדמות לייזר וטכנולוגיה מיקרופון, ובסופו של דבר הוכנס לשימוש מעשי למלא יישומי נישה מהדמיה ביו סרט דק ניתוח בדיקות ללא הרס של חומרים. ^{1,53-57,59-82} השפעה זו יכולה להיות מתוארת מתמטית עם משוואות גלים חד ממדיות, שבו הגל הדואר הוא מקור אקוסטי פשוט שאת הלחץ (p) משתנה בשני עמדה (x) וזמן (t):

עם פתרונות עבור מקורות אקוסטי פשוט של טופס ⁶⁴

כאשר p הוא הלחץ, Γ = αv _של ² / C _p שבו α הוא מקדם התפשטות תרמית נפח, v _s הוא ממהירות הקול בטווח הבינוני, ו- C _p הוא קיבול חום בלחץ קבוע, H ₀ הוא החשיפה קורן של קרן לייזר, c הוא מהירות הקול בטווח הבינוני נרגש, x הוא אורך, ו t הוא הזמן. סדר הגודל של גל אקוסטי וכתוצאה מסתמך ישירות על מקדם הקליטה האופטי של החומר, מיקרון _a, which הוא ההופכי של עומק החדירה האופטי, δ, שהוא בתורו מדד של מרחק האור נוסע עד שהוא דועך 1 / e של העוצמת האופטית הראשונית שלה. בעוד משוואה (1) היא משוואה כללית מקור גל מישורים חד ממדיים, בולמים טיפוסיים, פולט גל אקוסטי כדורי בשלושה ממדים. מעבר התיאור המתמטי, יישומים של שיטות הדמיה רבות span ⁵⁴ אפקט photoacoustic כגון מיקרוסקופיה, טומוגרפיה, ואפילו הדמיה מולקולרית בשל אפקט photoacoustic שיש רגישות גבוהה בשל הקליטה האופטית הגדולה בשל המוגלובין כרומופור באופן טבעי. יישומים אחרים של האפקט photoacoustic אפילו כוללים להערכת נכסי סרט דקים שונים ^{15,16,20,21,24,26-32,36-39,41,42,56,83,84.} עם זאת, PAS יש מגבלות מסוימות: (1) עומק החדירה אופטית הנרחב שלה מבטל את היכולת לחקור שדה ליד תכונות אופטיות ב משטחים (2) זההיעילות של של לכידת האנרגיה האקוסטית הנפלטת היא נמוכה בשל ריבוי הכדורי של רוב האנרגיה מן הגלאי (3) דגימות חייבות לכלול chromophores במשטר הגל נדון.

בשילוב עם טכניקות שדה מבוססי חלוף, אולם, רבים של מגבלות אלה יכולים להשתפר. שדה החלוף מתרחש כאשר קרן האור עוברת השתקפות הפנימית המוחלט (TIR), כפי שתואר על ידי חוק סנל, המשפיע גם מאפשר בגלבו סיבים אופטי להנחות מרחקים גדולים אור (קילומטר) עבור יישומי חישוב ותקשורת. ביישומים מעשיים, שדה החלוף משמש במגוון טכנולוגיות אפיון הדמיה, כולל ספקטרוסקופיה החזרה הכולל מוחלשים (ATR). הדמיה מושגת עם ניגודיות גבוהה בשל סגירתם של האור בתוך מאה ננומטרים הראשונים לתוך המדגם של עניין. שדה החלוף לובש צורה של exponentially המתפורר שדה המשתרע לתוך המדיום חיצוני עומק החדירה אופטי כי הוא בדרך כלל בסדר גודל של אורך הגל בשימוש (בדרך כלל ~ 500 ננומטר או פחות) כפי שמוצג משוואות 3 ו -4.

איפה אני נמצא את עוצמת האור% בכל z מיקום מממשק פריזמה / המדגם, אני ₀ הוא את עוצמת האור הראשוני% על הממשק, z הוא המרחק ננומטר, ו- _p δ הוא עומק החדירה אופטי כמוצג במשוואה 4. עם עומק חדירה אופטי קטן כזה, שדה החלוף הוא מסוגל לקיים אינטראקציה עם הסביבה קרובה מאוד לממשק של שני החומרים, והרבה מתחת גבולות השבירה האופטיים ואקוסטי. התכונות האופטיות של חומרים או חלקיקים בטווח זה עלול להפריע בתחום או אחרת לשנות דור שלה, אשר האינטראקציה ניתן להבחין באמצעות מגוון שיטות ^3,5,6,10,15,17,18,21,23,25-27,29-47,84-95.

כאשר טכניקות חלוף משולבים עם PAS, צורות גל photoacoustic המיוצר יכול לשמש כדי לאפיין חומרים או חלקיקים באינטרקציה עם שדה חלוף, יוצרים את photoacoustics מבוסס-שדה חלוף (EFPA) משפחה של טכניקות, כפי שמוצג באיור 1. משפחה זו כוללת, אבל אינו מוגבל, ספקטרוסקופיה photoacoustic פנימית השתקפות כוללת (TIRPAS), ספקטרוסקופיה photoacoustic מנהור האופטי (OTPAS), ותהודת plasmon משטח ספקטרוסקופיה photoacoustic (SPRPAS). הקורא המעוניין לעיין בהערות הבאות עבור לנגזרות של המשוואות המשמשות ^{5,6,18,23,25,26,33-35,43-47} TIRPAS, PAS / TIRPAS refractometry ^18, ו OTPAS ^6. בכל מקרה, השפעת photoacoustic מופקת באמצעות מנגנון עירור שונה מאשר העברה פשוטה דרך פריזמה; למשל, ב TIRPAS, האור הוא evanescentlyמצמיד באמצעות ממשק פריזמה / מצע / מדגם לתוך chromophores (אשר יכול לכלול חומר המדגם עצמו, או מולקולות אורח בתוך המדגם), ואילו SPRPAS, במצב של העירור העיקרי הוא במקום דרך הקליטה של ​​plasmon שטח, המהווה גל EM משני נוצר כאשר האנרגיה של שדה החלוף מועברת לתוך ענן האלקטרונים של שכבת מתכת שהונחה על פני שטח פריזמה. המשפחה של טכניקות זה הומצא במקור בשנות ה -1980 המוקדמות על ידי Hinoue et al., ומשופר על ידי ט Inagaki et al. עם המצאת SPRPAS, אך נעשו עבודות פיתוח מעט מאוד בשל מגבלות טכניות של מקורות אור ציוד איתור זמין . לאחרונה, חקירות קודמות הראו כי רגישות מוגברת וקהילה אפשריות עם פלואוריד polyvinylidene המודרני (PVDF) גלאי אולטרא נופך אלומיניום איטריום מסומם ניאודימיום q הממותגת: לייזרים (Nd YAG). באופן ספציפי, שבריר שני-פעם Nd: YAGלייזרים לגרום 10 ⁶ גידול של פי החשמל בשעות שיא הצריכה, המאפשר טכניקות EFPA להיות כלים שימושיים להערכת התכונות האופטיות של מגוון חומרים וממשקים ^{5,6,15,18,21-29,31-47,84 , 96.} בנוסף, מחקרים קודמים נוספים הוכיחו את היכולת של טכניקות כאלה כדי לקבוע מידע מבני על חומרי ממשק, שהיה בעבר לא בר השגה עם טכנולוגיות ספקטרוסקופיה photoacoustic המסורתית (PAS) בשל עומק החדירה הגדול יחסית שלהם ^{53,55,57,59, 61,62,69,73,75,80,81.}

יכולת זו מוצגת בפרוטוקולים הבאים תחת טכניקת OTPAS; עם זאת, ברמה בסיסית יותר בשלוש טכניקות כל להסתמך על משוואה סופית שונה, אשר קובע את היכולות של הטכנולוגיה. לדוגמה, ב TIRPAS, את עומק החדירה אופטי של שדה חלוף, δ _'עמ, בעיקר שמניע את אקוסטי וכתוצאה מכך עוצמת אות על מדגם קולט, והוא מתואר על ידי:

שם λ ₁ הוא אורך הגל של האור העובר המדיום פריזמה מוגדר על ידי היחס λ ₁ = λ / n ₁ שבו n ₁ הוא מקדם השבירה של החומר פריזמה. בנוסף, θ מתייחס לזווית של עירור, ו n ₂₁ כולל את היחס בין המדדים השבירים של כל בינוני מוגדר על ידי n ₂₁ = n ₂ / n _1, שבו n ₂ הוא מקדם השבירה של החומר המדגם. ככל שעולה עומק החדירה האופטי, חומר יותר מתבצע מוקרן. לקבלת האפקט photoacoustic, את עומק החדירה האופטי גדול, החומר יותר לריגוש שיכול לייצר גלים אקוסטיים שמובילים אות אקוסטי גדולה.

כאשר n ₁ הוא מקדם השבירה של המנסרה, θ ₁ היא זוית פגיעה על ממשק פריזמה / מדגם, n ₂ הוא מקדם השבירה של המדגם, ואת θ ₂ הוא הזווית של האור משתקפת הדרך השנייה בינוני. הרגישות של אמידת מקדם השבירה של החומר הוא מונע בעיקר על ידי דיוק של אמידת θ _1. החזרה גמורה, אשר מושגת כאשר θ ₁ הוא מעבר לזווית הקריטית אשר יוצר שדה חלוף, חטא θ ₂ = 1 ולכן, משוואה 5 מקטין ל n ₂ = n ₁ sinθ _1. (הערה: θ ₁ =θ _קריטי) ידיעת הזווית שבה הנגזר המספרי (DP / dθ כאשר P הוא שיא ​​מתח שיא של האות photoacoustic ו θ היא הזווית של שכיחות של אור עם המדגם) של האות photoacoustic יש ומינימום מקומי מאפשר לאמידת θ ₁ המאפשר למשתמש לפתור עבור n ₂ ובכך להעריך את מקדם השבירה עיקר מדגם כפי שמוצג באיור 1.

לבסוף, ב OTPAS, המשוואה הבאה מתייחסת תמסורת אופטית ב% לשיא photoacoustic למתח שיא ידי:

שם T הוא התמסורת האופטית אחוז, p הוא שיא-לשיא המתח שנוצר על ידי הקשת זוויתי של מצע עם סרט על זה, p ₀ הוא מתח שיא-לשיא שנוצר על ידי o ספקטרום זוויתיfa המצע, β הוא צימוד קבוע המבוסס על מקדם השבירה של פריזמה ואת שמן טבילה, α היא הגורם הנחתה, ומהווה גורם הכוללת עובי ואת מקדם השבירה של הסרט מדגם בתוך שדה חלוף. הרגישות של טכניקה זו על עובי ואת מקדם השבירה הוא מונע על ידי דיוק של אמידת לפיםגה עוצמות הצליל האקוסטי, p ו- p ₀ בכל זוית פגיעה בספקטרום זוויתי. הוכח כי β ניתן לחשב מבוסס ישירות על המדדים השבירים של המנסרה ואת שמן הטבילה; כתוצאה מכך, היא משימה פשוטה כדי לחשב את התמסורת האופטית בכל זוית פגיעה וכדי ואז לחלץ אומדן המדד והעובי השביר של הסרט באמצעות ניתוח הולם עקום סטטיסטי. הקורא המעוניין לעיין גולדשמידט ואחות '. לקבלת מידע נוסף. ^5,6

Tמערכת הוא EFPA היא מערכת המבוססת photoacoustic מסוגל לאמוד את העובי, מקדם שבירת סרט דקה, מקדם שביר בתפזורת, ויצירת אותות אקוסטיים באמצעות קליטה אופטית לגילוי. המערכת מורכבת לייזר, רכבת אופטי כדי להנחות את אור הפריזמה / המדגם לצד מדידת אנרגיית הלייזר. הצד המדידה אנרגיית הלייזר משמש לנרמל את האות photoacoustic לאנרגיית לייזר האירוע כפי שמוצג באיור 2. המערכת EFPA הוא מונע על ידי נהג מנוע צעד כדי לסובב את הפריזמה / המדגם עבור ספקטרום זוויתי ב refractometry PAS / TIRPAS ו OTPAS . המערכת רוכש נתונים באמצעות כרטיס רכישה דיגיטלי ומספקת ממשק משתמש ובקרת שלב אוטומטית באמצעות בתכנית הבית.