Evanescente campo fotoacustica based: ottico valutazione delle proprietà a Surfaces

I progressi nella comprensione dei materiali ottici ^{1,3,4,6,7,10,13-16} hanno fornito nuove informazioni sulla creazione di materiali a film sottile per una serie di dispositivi ottici, compresi i rivestimenti antiriflesso sulle lenti, elevato rapporto di estinzione ottica filtri e guide d'onda lastra altamente assorbenti ^17. Questi progressi non sarebbero possibili senza l'uso di molte tecniche di caratterizzazione, come ellissometria ^4,6,18, misura dell'angolo di contatto, microscopia a forza atomica ^7,11,19, e microscopia a scansione / elettronico a trasmissione, che aiutano nel miglioramento iterativo di queste tecnologie mediante misure dirette o indirette di stime fondamentali proprietà dei materiali ottici. Tali proprietà, come l'indice di rifrazione, regolano come i materiali interagiscono con fotoni incidenti, che colpisce direttamente la loro funzione e il loro utilizzo in applicazioni ottiche. Tuttavia, ciascuna di queste tecniche ha limitazioni relative alla risoluzione, preparazione del campione, il costo e la complessità, e ciascuno genera solo un sottoinsieme dei dati necessari per caratterizzare completamente il materiale. Detto questo, una nuova serie di tecniche, note come fotoacustica campo basata evanescenti (EFPA) ^{5,6,15,18,20-49} come mostrato nella Figura 1, ha il potenziale per stimare le proprietà dei materiali su nanoscala in un consolidato set di esperimenti. EFPA comprende i sotto-tecniche di riflessione interna totale spettroscopia fotoacustica (TIRPAS) ^{23,25,26,33-35,43-45,} spettroscopia fotoacustica / riflessione interna totale spettroscopia fotoacustica rifrattometria (PAS / TIRPAS rifrattometria) ^18, e fotoacustica tunneling ottico spettroscopia (OTPAS) ^6, ed è stato utilizzato per stimare massa e indice di rifrazione della pellicola sottile, spessore del film, così come per rilevare materiali assorbenti ad un prisma / campione o interfaccia substrato / campione.

Per comprendere il meccanismo EFPA, unodeve prima comprendere il concetto di spettroscopia fotoacustica (PAS), che si riferisce alla generazione di onde di pressione ultrasoniche dalla rapida espansione termoelastica di un cromoforo, in seguito all'assorbimento di un ultra-short (<msec) impulso di luce (Figura 1). Quadro teorico e matematico per l'Effetto Fotoacustico discussi in questo documento può essere ottenuto qui ^50-59. La variazione conseguente pressione può essere rilevato da un microfono ultrasuoni o trasduttore. L'effetto fotoacustica, originariamente scoperto nel 1880 con l'invenzione di fotofono di Alexander Graham Bell, è stato "riscoperto" nei primi anni 1970 a causa di progressi nella tecnologia laser e il microfono, e, infine, messo in uso pratico per compilare applicazioni di nicchia da immagini biomediche a film sottile analisi per controlli non distruttivi di materiali. ^{1,53-57,59-82} Questo effetto può essere matematicamente descritto con equazioni delle onde unidimensionali, in cui the onda è una sorgente acustica semplice la cui pressione (p) varia in posizione sia (x) e il tempo (t):

con soluzioni per semplici sorgenti acustiche del modulo ⁶⁴

dove p è la pressione, Γ = αv _s ² / C _p dove α è il coefficiente di espansione termica del volume, v _s è la velocità del suono nel mezzo, e C _p è la capacità termica a pressione costante, H ₀ è l'esposizione radiante del raggio laser, c è la velocità del suono nel mezzo eccitato, x è la lunghezza, e t è il tempo. L'ampiezza dell'onda acustica risultante si basa direttamente sul coefficiente di assorbimento ottico del materiale, μ _a, which è l'inverso della profondità di penetrazione ottica, δ, che è a sua volta una misura della distanza che la luce viaggia fino decade in 1 / e della sua intensità ottica iniziale. Mentre equazione (1) è una equazione generale per una fonte un'onda un piano dimensionale, assorbitori tipica verranno emettono un'onda acustica sferico in tre dimensioni. Al di là della descrizione matematica, applicazioni dei fotoacustica effetto ⁵⁴ campata molte modalità di imaging, come la microscopia, la tomografia, e anche l'imaging molecolare per effetto fotoacustica ad elevata sensibilità a causa della grande assorbimento ottico a causa della presente naturalmente dell'emoglobina cromoforo. Altre applicazioni del Effetto Fotoacustico includono anche la stima delle varie proprietà film sottile ^{15,16,20,21,24,26-32,36-39,41,42,56,83,84.} Tuttavia, PAS ha alcune limitazioni: (1) la sua vasta profondità di penetrazione ottico elimina la possibilità di sondare campo vicino proprietà ottiche su superfici (2)efficienza s di catturare l'energia acustica emessa è bassa a causa di propagazione sferica della maggior parte dell'energia dal rivelatore (3) i campioni devono includere cromofori nel regime di lunghezza d'onda considerata.

In combinazione con tecniche di campo basate evanescenti, tuttavia, molte di queste limitazioni possano essere alleviati. Il campo evanescente si verifica quando un fascio di luce subisce riflessione interna totale (TIR), come descritto dalla legge di Snell, che effetto permette anche guide d'onda in fibra ottica per guidare grandi distanze leggeri (km) per applicazioni di calcolo e di telecomunicazione. Nelle applicazioni pratiche, il campo evanescente viene utilizzato in una varietà di tecnologie di caratterizzazione e di imaging, compreso spettroscopia riflettanza totale attenuata (ATR). Imaging è realizzato con contrasto elevato a causa del confinamento della luce entro le prime poche centinaia di nanometri nel campione di interesse. Il campo evanescente prende la forma di un exponentially campo decadente che si estende nel mezzo esterno a una profondità di penetrazione ottica che è tipicamente dell'ordine della lunghezza d'onda utilizzata (generalmente ~ 500 nm o meno) come mostrato nelle equazioni 3 e 4.

dove I è l'intensità della luce in% in una z posizione dall'interfaccia prisma / campione, I ₀ è l'intensità di luce iniziale in% all'interfaccia, z è la distanza in nanometri, e δ _p è la profondità di penetrazione ottica come mostrato nell'equazione 4. con una tale piccola profondità di penetrazione ottica, il campo evanescente è in grado di interagire con l'ambiente molto vicino all'interfaccia dei due materiali, e ben al di sotto dei limiti di diffrazione ottici ed acustici. Le proprietà ottiche dei materiali o particelle entro questo intervallo può perturbare il campo o alterare la sua generazione, che interazione può essere rilevato da una varietà di metodi ^3,5,6,10,15,17,18,21,23,25-27,29-47,84-95.

Quando tecniche evanescenti sono combinati con PAS, le forme d'onda fotoacustico prodotti possono essere utilizzati per caratterizzare materiali o particelle interagenti con il campo evanescente, creando il evanescente campo fotoacustica base (EFPA) famiglia di tecniche, come mostrato in Figura 1. Questa famiglia comprende, ma non è limitato a, riflessione interna totale spettroscopia fotoacustica (TIRPAS), tunneling ottico spettroscopia fotoacustica (OTPAS), e risonanza plasmonica di superficie spettroscopia fotoacustica (SPRPAS). Il lettore interessato dovrebbe fare riferimento ai seguenti riferimenti per derivazioni delle equazioni utilizzate per TIRPAS ^{5,6,18,23,25,26,33-35,43-47,} PAS / TIRPAS rifrattometria ^18, e OTPAS ^6. In ogni caso, l'effetto fotoacustica è generato attraverso un meccanismo di eccitazione diverso semplice trasmittanza attraverso un prisma; per esempio, in TIRPAS, la luce è evanescentlyaccoppiato attraverso un prisma / substrato / interfaccia campione nei cromofori (che potrebbe includere il materiale campione stesso, o molecole ospiti all'interno del campione), mentre nel SPRPAS, la principale modalità di eccitazione è invece attraverso l'assorbimento di un plasmon di superficie, che è un'onda EM secondario creato quando l'energia del campo evanescente viene trasferito nella nube di elettroni di uno strato di metallo depositato sulla superficie del prisma. Questa famiglia di tecniche è stato originariamente inventato nei primi anni 1980 da Hinoue et al., E migliorato da T. Inagaki et al., Con l'invenzione di SPRPAS, ma visto molto poco sviluppo a causa di limitazioni tecniche delle sorgenti di luce e delle apparecchiature di rilevamento disponibili . Più di recente, le indagini precedenti hanno dimostrato che l'aumento della sensibilità e l'utilità sono possibili con le moderne fluoruro di polivinile (PVDF) rilevatori ad ultrasuoni e q-switched neodimio-drogato granato di ittrio e alluminio (Nd: YAG) laser. In particolare, nanosecondo-Laser Nd: YAGlaser determinano un aumento 10 ⁶ volte la potenza di picco, che consente tecniche dell'EFPA diventare strumenti utili per valutare le proprietà ottiche di una varietà di materiali e interfacce ^{5,6,15,18,21-29,31-47,84 , 96.} Inoltre, il lavoro precedente ha ulteriormente dimostrato la capacità di tali tecniche per determinare le informazioni strutturali su materiali a un'interfaccia, che era in precedenza non realizzabili con le tecnologie (PAS) spettroscopia fotoacustica tradizionale a causa della loro relativamente grande profondità di penetrazione ^{53,55,57,59, 61,62,69,73,75,80,81.}

Questa capacità è mostrato nei protocolli che seguono sotto la tecnica OTPAS; Tuttavia, su un livello più fondamentale tre tecniche ciascuno basano su una diversa equazione definitiva, che determina le capacità della tecnologia. Ad esempio, in TIRPAS, la profondità di penetrazione ottica del campo evanescente, δ _'p, spinge prevalentemente acustico risultanteintensità del segnale di un campione assorbente, ed è descritto da:

dove λ ₁ è la lunghezza d'onda della luce che viaggia attraverso il medium prisma e è definito dalla relazione λ ₁ = λ / n _{1 in} cui n ₁ è l'indice di rifrazione del materiale del prisma. Inoltre, θ si riferisce all'angolo di eccitazione, e n ₂₁ si riferisce al rapporto tra gli indici di rifrazione ciascun mezzo e è definita da n = ₂₁ n ₂ / n _1, in cui n ₂ è l'indice di rifrazione del materiale campione. Maggiore è la profondità di penetrazione ottica, più materiale viene irradiato. Per l'effetto fotoacustica, maggiore è la profondità di penetrazione ottica, più materiale viene eccitato che può produrre onde acustiche che conducono ad un segnale acustico più grande.

dove n ₁ è l'indice di rifrazione del prisma, θ ₁ è l'angolo di incidenza all'interfaccia prisma / campione, n ₂ è l'indice di rifrazione del campione, e θ ₂ è l'angolo della luce che si rifrange attraverso la seconda medie. La sensibilità di stimare l'indice di rifrazione di un materiale è determinata principalmente dalla precisione della stima di θ _1. Nella riflessione interna totale, che viene raggiunto quando θ ₁ è oltre l'angolo critico che genera un campo evanescente, sin θ ₂ = 1 e quindi, Equazione 5 riduce a n ₂ = n ₁ sinθ _1. (Nota: θ ₁ =θ _critico) Conoscendo l'angolo al quale la derivata numerica (dP / dO dove P è il picco di tensione di picco del segnale fotoacustico e θ è l'angolo di incidenza della luce con il campione) del segnale fotoacustico ha un minimo locale permette per la stima di θ ₁ che consente all'utente di risolvere per n ₂ e stimare l'indice di rifrazione di massa di un campione come mostrato in Figura 1 così.

Infine, in OTPAS, la seguente equazione riferisce trasmissione ottica in% picco fotoacustica alla tensione di picco da:

dove T è la trasmissione ottica per cento, p è la tensione picco-picco generata dallo spettro angolare di un substrato con un film su di esso, p ₀ è la tensione picco-picco generata dal angolare spettro ofa substrato, β è la costante di accoppiamento in base al indice di rifrazione del prisma e l'olio per immersione, α è il fattore di attenuazione, ed è un fattore che comprende lo spessore e l'indice di rifrazione del film campione entro il campo evanescente. La sensibilità di questa tecnica per spessore e l'indice di rifrazione è guidato dalla precisione della stima del picco-picco intensità di segnale acustico, p e p ₀ ad ogni angolo di incidenza nello spettro angolare. E 'stato dimostrato che β può essere calcolato direttamente sulla base degli indici di rifrazione del prisma e l'olio di immersione; di conseguenza, è un compito facile calcolare la trasmissione ottica ad ogni angolo di incidenza e quindi estrarre una stima per l'indice di rifrazione e lo spessore del film attraverso curva statistica analisi raccordo. Il lettore interessato dovrebbe fare riferimento alla Goldschmidt et al. Per ulteriori informazioni. ^5,6

Tha EFPA sistema è un sistema basato fotoacustico grado di stimare lo spessore, sottile indice di pellicola di rifrazione, indice di rifrazione rinfusa, e generare segnali acustici tramite assorbimento ottico per il rilevamento. Il sistema è composto da un laser, un sistema ottico per guidare la luce al prisma / campione e al lato misurazione dell'energia laser. Il lato misurazione dell'energia laser viene utilizzato per normalizzare il segnale fotoacustico all'energia laser incidente, come mostrato in Figura 2. Il sistema EFPA è azionato da un driver del motore passo-passo per ruotare il prisma / campione per gli spettri angolare PAS / TIRPAS rifrattometria e OTPAS . Il sistema acquisisce i dati tramite una scheda di acquisizione digitale e fornisce un'interfaccia utente e controllo automatizzato fase attraverso un programma di in casa.