Evanescent Field Based Photoacoustics: Optical Property Evaluation at Surfaces

Benjamin S. Goldschmidt; Anna M. Rudy; Charissa A. Nowak; Yowting Tsay; Paul J. D. Whiteside; Heather K. Hunt

doi:10.3791/54192

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Engineering

エバネセント場ベースの光音響：表面での光学特性評価

Published: July 26, 2016

doi:

10.3791/54192

Benjamin S. Goldschmidt¹, Anna M. Rudy², Charissa A. Nowak³, Yowting Tsay³, Paul J. D. Whiteside³, Heather K. Hunt³

¹Biomedical Engineering,Duquesne University, ²Department of Computer Science,University of Missouri, ³Department of Bioengineering,University of Missouri

Summary

ここでは、材料を推定し、内部全反射と組み合わせて光音響効果を用いた光学特性を表面にプロトコルを提示します。この技術エバネセント場ベースの光音響は材料「厚さを推定するために光音響計測システムを作成するために使用することができ、バルク及び薄膜の屈折率、及びそれらの光学的特性を探ります。

Abstract

Here, we present a protocol to estimate material and surface optical properties using the photoacoustic effect combined with total internal reflection. Optical property evaluation of thin films and the surfaces of bulk materials is an important step in understanding new optical material systems and their applications. The method presented can estimate thickness, refractive index, and use absorptive properties of materials for detection. This metrology system uses evanescent field-based photoacoustics (EFPA), a field of research based upon the interaction of an evanescent field with the photoacoustic effect. This interaction and its resulting family of techniques allow the technique to probe optical properties within a few hundred nanometers of the sample surface. This optical near field allows for the highly accurate estimation of material properties on the same scale as the field itself such as refractive index and film thickness. With the use of EFPA and its sub techniques such as total internal reflection photoacoustic spectroscopy (TIRPAS) and optical tunneling photoacoustic spectroscopy (OTPAS), it is possible to evaluate a material at the nanoscale in a consolidated instrument without the need for many instruments and experiments that may be cost prohibitive.

Introduction

レンズ上に反射防止コーティングを含む光デバイスのホストのための薄膜材料の創出に新たな洞察を提供してきた^{1,3,4,6,7,10,13-16}光学材料の理解の進歩、高消光比光フィルタ、および高度スラブ導波路^17を吸収します。これらの進歩は、偏光解析法^4,6,18、接触角測定、原子間力顕微鏡^7,11,19、および反復的改善を助ける走査/透過型電子顕微鏡法、などの多くの特徴付け技術を使用せずに可能ではありません直接の対策や基本的な光学材料特性の間接的な推定値を提供することによって、これらの技術。屈折率などの特性は、材料が直接その機能と光学用途での使用に影響を与える入射光子、との対話方法を規定言いました。しかしながら、これらの技術のそれぞれはresoluに関する制限を有します化は、試料調製、コスト、および複雑さは、それぞれが完全に材料を特徴づけるために必要なデータのサブセットのみを生成します。それは、エバネセント場ベースの光音響^{（EFPA）5,6,15,18,20-49}として知られている技術の新しいセット、図1に示すように、言われ、連結にナノスケールでの材料特性を推定する可能性を有します実験のセット。 EFPAは全反射光音響分光法^{（TIRPAS）23,25,26,33-35,43-45、}光音響分光法/内部全反射光音響分光法屈折計（PAS / TIRPAS屈折計^）18と、光トンネル光音響のサブ技術を包含します分光法^{（OTPAS）6、}およびバルク薄膜の屈折率、膜厚を推定するために、並びに、プリズム/試料又は基板/試料界面で吸収材料を検出するために使用されてきました。

EFPAメカニズムを理解するために、あります第一の光の超短（<マイクロ秒）のパルス（ 図1）の吸収後、発色団の急速な熱弾性膨張により超音波圧力波の発生を意味する、光音響分光法（PAS）の概念を理解する必要があります。この論文で議論光音響効果の理論的および数学的枠組みは^50-59ここで得ることができます。圧力の結果の変化は、超音波マイクやトランスデューサーにより検出することができます。光音響効果は、もともとアレクサンダー・グラハム・ベルのホトホーンの発明で1880年に発見され、レーザーとマイク技術の進歩のために1970年代初頭に「再発見」し、最終的に薄膜に生物医学イメージングからニッチなアプリケーションを埋めるために実用化しました。材料の非破壊試験の分析^{。1,53-57,59-82}この効果は、数学的に一次元の波動方程式を用いて記述することができ、前記第E波は、その圧力（P）の両方の位置（x）と時間（t）に変化する単純な音響源です。

フォーム⁶⁴の簡単な音響ソースのソリューションと

αは、体積熱膨張係数であり、Pは圧力_、Γ=αVS ² / Cの_P、V _Sは、媒体中の音の速度であり、C _pは一定の圧力における熱容量であり、H _0は、放射露光でありますレーザビームの、cは励起媒体中の音の速度であり、xは長さであり、tは時間です。得られた音響波の大きさは、材料の光吸収係数に直接依存して、wは、μHICHは、順番に、それはその初期光強度の1 / eに減衰するまで光が移動する距離の尺度である、δ、光の侵入深さの逆数です。式（1）一次元平面波源のための一般的な式であるが、典型的な吸収剤は、三次元の球面音波を放出します。光音響効果の数学的記述を越えて、アプリケーションによる自然に存在する発色団のヘモグロビンに起因する大きな光吸収に高い感度を持つ光音響効果により、このような顕微鏡、断層撮影法、さらには分子イメージングとして⁵⁴スパン多くのイメージングモダリティを。光音響効果の他のアプリケーションがあっても、様々な薄膜特性^{15,16,20,21,24,26-32,36-39,41,42,56,83,84}の推定を含みます。しかしながら、PASは、一定の制限を持っている：（1）その広範な光学侵入深さは、表面に近接場光学特性をプローブする能力を排除し、（2）それを放出された音響エネルギーを取り込むの効率が原因で、球面検出器から離れたエネルギーの大部分の伝播（3）サンプルは、検討中の波長領域での発色団を含まなければならないに低いです。

エバネセント場ベースの技術と組み合わせると、しかしながら、これらの制限の多くを改善することができます。光線が全反射（TIR）を受ける場合にも、光ファイバ導波路は、計算および通信アプリケーションのための光大きな距離（キロ）を案内することを可能にする効果スネルの法則によって説明されているように、エバネッセント場が発生します。実際の応用では、エバネッセント場は、全反射減衰分光法（ATR）を含む、特徴付けおよびイメージング技術の様々な使用されています。イメージングは、対象の試料中に最初の数百ナノメートル以内に起因する光の閉じ込めに高コントラストで達成されます。エバネッセント場はexponentiallの形式を取ります式3および図4に示すように（通常〜500nm以下）を使用して波長のオーダーで、典型的には、光の侵入深さを外部媒体中に延びるY減衰フィールド。

Iは、プリズム/サンプルインターフェースからの位置zにおける％の光強度であり、I _0は、界面での％における初期光強度であり、zはナノメートルでの距離であり_、δpは式に示すように、光の侵入深さこのような小さな光の侵入深さと4は、エバネッセント場は、2つの材料の界面に非常に近く、よく光と音響回折限界以下の環境と相互作用することができます。この範囲内の材料または粒子の光学特性は^、メソッド³の様々な方法によって検出することができる相互作用の発生を、変更フィールドを混乱またはそうでなければよいです5,6,10,15,17,18,21,23,25-27,29-47,84-95。

エバネッセント技術はPASと組み合わされると、図1に示すように、生成光音響波形は、エバネセント場ベースの光音響（EFPAに）技術のファミリーを作成、エバネセント場と相互作用する物質又は粒子を特徴付けるために使用することができる。このファミリは、含ましかし、全反射光音響分光法（TIRPAS）、光トンネル、光音響分光法（OTPAS）、および表面プラズモン共鳴光音響分光法（SPRPAS）に限定されるものではありません。興味のある読者はTIRPAS ^{5,6,18,23,25,26,33-35,43-47、PAS} / TIRPASの屈折計¹⁸のために使用される方程式の導出のための次の資料を参照してください、とOTPAS ⁶必要があります。それぞれの場合において、光音響効果は、プリズムを介して単純な透過率とは異なる励起メカニズムを介して生成されます。例えば、TIRPASにおいて、光はエバネッセントありますSPRPASにおいて、励起の主要モードである表面プラズモンの吸収を介して代わりにあるのに対し、（サンプル材料自体、またはサンプル中のゲスト分子を含むことができる）発色団にプリズム/基板/試料界面を介して結合され二EM波エバネッセント場のエネルギーは、プリズム面上に堆積された金属層の電子雲に転送されるときに作成。技術のこのファミリーは、もともとHinoue らによって1980年代初頭に発明され、T.稲垣らによって大幅に改善。SPRPASの発明ではなく、原因の光源および利用可能な検出機器の技術的な制限はほとんど開発を見ました。より最近では、以前の研究は、感度および有用性を増加することが示されている現代のポリフッ化ビニリデン（PVDF）、超音波検出器及びQスイッチネオジムドープイットリウムアルミニウムガーネット（のNd：YAG）で可能なレーザ。具体的には、ナノ秒パルスのNd：YAGレーザはEFPA技術は、材料およびインタフェースの様々な光学特性を評価するための有用なツールになることを可能にする、ピーク電力の10 ⁶倍の増加をもたらす^{5,6,15,18,21-29,31-47,84 、96。}また、前作では、さらに^、それらの比較的大きな侵入深さ^53,55,57,59に以前の伝統的な光音響分光法（PAS）の技術を用いて達成可能なことはなかった界面での物質の構造情報を決定するために、このような技術の能力を示しています^{61,62,69,73,75,80,81。}

この機能はOTPAS技術の下に従うプロトコルに示されています。しかし、より根本的なレベルでの3つの手法は、それぞれの技術の能力を決定する別の決定的な式に依存しています。例えば、TIRPAS、エバネッセント場の光の侵入深さ_、δP 'で、主に得られた音響を駆動吸収サンプルにシグナル強度、およびによって記述されています。

_λ1は、プリズム媒質を通過する光の波長であり_、1 =λ/ n ここ で、n _1は、プリズム材料の屈折率である請求項_1λの関係によって定義されます 。また、θは、励起の角度を指し、そしてn _21は、それぞれの媒体の屈折率の比を意味し、n _2は 、試料材料の屈折率であり、式中、n ₂₁ = N ₂ / N ₁で定義されています。光学侵入深さが大きいほど、より多くの材料が照射されています。光音響効果のために、光学侵入深さより大きな、より多くの材料は、より大きな音響信号をもたらす音響波を生成することができる励起されます。

<pTIRPASとは異なり、クラス= "jove_contentは">しかし、PAS / TIRPASに一次方程式は、スネルの法則であり、屈折率測定しました：

n _1は、プリズムの屈折率であり_、θ1は、プリズム/試料界面での入射角であり、n _2は試料の屈折率であり_、θ2は、第2で屈折された光の角度でありますミディアム。材料の屈折率は、主に_θ1は、エバネッセント場を発生する臨界角を超えている場合に達成される全反射では_、θ1の推定精度によって駆動される推定の感度、罪_θ2 = 1したがって、式（5）は、n ₂ = N _1sinθと₁に減少します。（注_：θ1 =光音響信号の数値誘導体（Pはピーク光音響信号の電圧とθのピークは試料に光の入射角であるDP /dθが）が極小値を可能にした角度を知ること） _の重要な θユーザがn ₂について解くと、したがって、図1に示すように、サンプルのバルクの屈折率を推定することを可能にする_θ1を推定します。

最後に、OTPASに、以下の式がによってピーク電圧に光音響ピークに％の光透過に関する：

Tは、パーセント光透過率であり、pは、その上に膜を有する基板の角スペクトルにより生成されたピーク・ツー・ピーク電圧であり、P _0は、角度スペクトラムOによって生成されたピーク・ツー・ピーク電圧でありますFA基質は、βは、プリズムの屈折率と液浸油に基づく結合定数であり、αは減衰係数であり、厚さ及びエバネッセントフィールド内の試料フィルムの屈折率を含む因子です。この技術の感度は、厚さにし、屈折率は、角度スペクトルにおける入射の各角度での音響信号強度、P及びP _0をピーク間の推定精度によって駆動されます。 β直接プリズムと液浸油の屈折率に基づいて計算することができることが示されています。これにより、入射角度毎に光透過率を計算し、その後、統計的曲線フィッティング解析により膜の屈折率及び厚さの推定値を抽出するために、簡単な作業です。興味のある読者は、ゴールドシュミットらを参照する必要があります。詳細については^。5,6

T彼は、システムの厚さ、薄膜の屈折率、バルクの屈折率を推定し、そして検出のために光吸収によって音響信号を生成することができる光音響ベースのシステムであるEFPA。システムはレーザで構成され、光学トレインは、プリズム/試料にレーザーエネルギー測定面に光を案内します。レーザーエネルギー測定側は、図2に示すように、入射レーザーエネルギーに光音響信号を正規化するために使用される。EFPAシステムはPAS / TIRPASの屈折率測定とOTPASの角度スペクトルプリズム/試料を回転させるステッピングモータドライバによって駆動されます。。システムは、デジタル収集カードを介してデータを取得し、社内プログラムでを通じてユーザーインターフェースと自動ステージ制御を提供します。

Protocol

1.システムのセットアップ 1 10MHzの超音波トランスデューサの前面に直径9mm、厚さ1mmの赤色ラテックスゴムシリンダーを接着し、厚さ6mmの直径9mm、厚さ1mmの赤色ラテックスゴムシリンダーを接着するシアノアクリレート、エポキシを使用するシアノアクリレート、エポキシを使用してその後、基準超音波振動子に同じようにエポキシ樹脂で接着されているアクリルブロックは、音響スペーサとして機能します。第一のレーザにはねられ、ビームエキスパンダを持つ光学列を設定します。その後、手動で調節可能な絞り秒を置きます。最後に、第三元素としての偏光ビームスプリッタキューブを使用しないEFPAプリズムホルダーと非偏光ビームスプリッタの各出力にEFPAプリズムホルダートランスデューサに超音波トランスデューサを配置します。注：偏光ビームスプリッタキューブは、これはすべてのEFPA技術の適切な機能に重要であるように励起用の純粋な、単一の偏光を確実にするために使用されます。支出を拡大YAGレーザー、QスイッチNdからの少なくとも3倍のビームエキスパンダを作成するためにレンズを使用してレーザビームをる。注：ビーム入射の様々な角度でプリズムを介してによる屈折ウォークオフのレーザ光にもかかわらず、適切なセンサー機能を確保するために、サンプルトランスデューサのラテックスゴム吸収に比べて意図的にオーバーサイズです。プリズム最寄りのマウントの平らな面がデジタルレベルを使用して、0°の角度に設定されるように、光学列とEFPAプリズムホルダーの位置を合わせます。これは、実験中に収集される角度スペクトルデータの正しい開始点を保証します。接続して、コンピュータに、オシロスコープ、ステッピングモータドライバ、超音波トランスデューサ、およびXYステージモータなどの外部デバイスの電源をオンにします。物理的にトランスデューサを接続しないでEFPAプリズムでCH0にマウントして、物理的に50オームBNCケーブルを介してCH1にマウントEFPAプリズムにトランスデューサを接続します。ソフトウェアが認識するようにプログラムされていますこれらの特定のチャンネルからcoustic信号。 2. EFPAシステムの初期化と光学調整手動で直径1mmにビームを遮断するために調整可能な絞りを調整します。プログラミングソフトウェア（例えば、LabVIEWの）を起動し、プリズム/試料界面での70°励起するために必要な角度にマウントを移動するには、緑色の「移動」ボタンを押して、70°に角度を設定します。 1ミリメートルのレーザスポットが蛍光表示されるまで側から垂直にレーザー光をプリズムに見て、適切なレーザー安全メガネ（532nmでOD 7+）を使用して、手動でXとYステージを移動すると、ハンドホイールを使用して、軸ゴムラテックスに。ビームは、ラテックスの中央に配置されていることを確認してください。その最大の開口部に手動で調整絞りを展開し、マウントEFPAプリズムからのレーザーエネルギー測定光音響信号の両方を確実にするために、プログラムの実行中のフロントパネルを見て（赤リットルINE）とレーザーエネルギー測定側（白線）からの光音響信号見えるとほぼ同じ振幅です。「STOP」ボタンを押してプログラムを停止します。注意：ボタンが押されていない場合は、プリズムは、手動テストを続行する前にリセットする必要があります。初期化手順が完了したら、TIRPAS、PAS / TIRPASの屈折計、またはOTPASを行うことができます。 3. TIRPASテクニックプラスチックプリズムプリズムを配置し、図3に示すように、マウントアダプター。次に、プリズムの種類に合わせた液浸油指数の2.5μLを置くプリズムの中央に、使用され、の上に基板を配置することによって、油を挟みます油層。図3に示すように、気泡を形成することなく全面それを被覆するようにマウントEFPA変換器で変換器に接続されたラテックスゴムのサンプルを25μlを置きます。サンプル缶このような染料の溶液、生体液、または溶液中に懸濁させ、検体などの任意の光学的に吸収材料です。サンプルの調製は必要ありません。プリズムマウントし、各ネジのための16.75グラム/ミリメートルの設定トルクにネジを取り付けると一緒にマウントを締め圧縮します。「設定」タブを選択し、ドロップダウンメニューの「設定」を選択します。薄膜analyzer_USB-5133.vi（補足ファイル）OTPAS題したプログラムを実行します。図4に示すように、試料によって生成された音響信号を表示します。注：入射角は試料のより薄いまたはより厚い光学的断面を観察するエバネッセント場の光学的侵入深さを制御するために変更することができます。 4. PAS / TIRPAS屈折計図3に示すように、プラスチック製のプリズムマウントアダプターにプリズムを配置します。次に、目の上に、使用されるプリズムの種類に合わせた液浸油指数の2.5μLを置きますEプリズムの中心とは、オイル層の上に基板を配置することによって、油を挟みます。図3に示すように、マウントEFPA変換器で変換器に接続されたゴム片の上にサンプルを25μlを置きます。プリズムは、各ネジのための16.75グラム/ミリメートルの設定トルクにネジを取り付けると一緒にマウントをマウントして締め圧縮します。「角度スペクトラム」タブを選択し、ドロップダウンメニューの「角度スペクトラム "を選択します。次に、入力表1に示すように、プログラムに適切なパラメータ。プログラムを実行し、角度スペクトラムが完了し、プログラムが終了するまで待ちます。右の角スペクトルグラフをクリックして、データを保存し、.csvファイルを開くには、「Excelにエクスポート→エクスポートデータ」を選択します。「マクロ」をクリックし、選択＆＃グラフプログラム（例えば、カレイダグラフ）でこのデータを開いて、その上に数値微分を行います34;デリバティブ」。上の微分を取るために入力し、適切な列を押して ""オーケー、数値微分が計算されます。グラフの角度対数値誘導体及び「曲線フィット」を選択します。「スムーズ」オプション5,18,98を選択し、データからノイズを平滑化するために適合するように、「カーブフィットの選択」の下で、データのチェックボックスを選択します。「表示」の下にある下向きの矢印を選択して、別の列にカーブフィットデータを抽出するために、「データウィンドウにコピーする曲線フィット」を選択します。手動TIRPAS体制へのPASからの移行を示している極小値と入射それに対応する角度を見つけるために、曲線フィットを検索。図5に示すように最小値は、測定された臨界角に対応する。式N 試料 = N プリズムのsinθCを用いて、波に未知試料のバルクの屈折率を算出します長さは、レーザ尋問のために使用しました。典型的な結果を表1に示します。 5. OTPAS プリズムの中心に（インデックスが使用されるガラスの種類に合わせた）液浸油の2.5μLを置きます。（離れてプリズムから）、試験されるフィルム側を上にフィルムまたは基板を置き、気泡が配置中に形成されていないことを確認してください。注：気泡が形成した場合、サンプルフィルムまたは基板を削除し、アプリケーションを再試行してください。バブル形成せずにラテックスゴムにイマージョンオイルを25μlを置き、全面液浸油コートように。図3に示すように、基板/フィルム層を圧縮します。各ネジのために同一である必要があります16.75グラム/ミリメートルの設定トルクに取り付けネジを締めます。注：プロトコルにおけるトルクレンチはoz.-in.であり、したがって、16.75グラム/ミリメートル〜15 oz.-in. 「角度スペクトラム」タブを選択し、男性のドロップダウンで「角度スペクトラム」を選択U。次に、入力表3に示されるように、プログラムに適切なパラメータ。プログラムを実行し、角度スペクトラムが完了し、プログラムが終了するまで待ちます。図6に示すように、（以前に行われていなかった方）基板やフィルムを使用して、手順5.1から5.6を実行して、テストを再実行します。ドロップダウンボックスで「カーブフィッティング」を選択し、「カーブフィッティング」タブを選択します。次に、表5に示すように、入力適切なパラメータが。「サンプル」の下のフィルムのスキャンを選択します。「基板」の下の基板のスキャンを選択します。表4に示すように、スキャンの入力屈折率、偏光、およびその他のオプションは、以前のステップ5.1から5.6で実行されます。ドロップダウンボックスで「フィッティングカーブ」を選択し、「カーブフィッティング」タブを選択してプログラムを実行します。下の屈折率と厚さを観察します4;膜のRI」および「厚さ」プログラムのグラフィカルユーザインタフェースの右上に示されるが、典型的なデータは図7に示されています。ステップ5.10へと繰り返しデータをバッチフィットにスキャン数を入力し、出力に.csvファイルを選択することにより、一度に多くのスキャンに合わせて「バッチフィット」オプションを使用します。注：プログラムが実行されると、それは.csvファイルにデータを出力すべての屈折率、厚さ、および残留値の各セットに適合します。これが機能するためには、スキャンがなど scan_001.csv、スキャン002.csv、などの数値リストである必要があります

Representative Results

結果はTIRPAS、PAS / TIRPASの屈折計、およびEFPAプラットフォーム内subtechniquesあるOTPASのために示されている。4は吸収サンプルから生成された代表TIRPAS音波を示しています。音響波の双極性の性質はTIRPAS技術の特徴であるとTIRPASが発生していることを示しています。この双極波形による音響インピーダンスの差が大きいために、サンプルとガラス基板との界面での音響反射のために起こります。 PAS / TIRPASの屈折計図5および表1について得られた。図5は、角度スペクトルとバルクの屈折率を推定するためのテストを受けた試料に対して得られた数値微分を示している。表1は、推定するPAS / TIRPASの屈折計を使用した結果を示していますコンパとして水/ PEG /ダイレクト赤の染料混合物のバルクの屈折率標準手持ち屈折計を用いて、バルクの屈折率推定値に赤。最後に、OTPAS結果を図7及び表2に示す。図7は、中に撮影された角度スキャンの二つの図を示し OTPAS。表2は OTPASと同じ薄膜試料の分光偏光解析法との比較を示しています。 EFPA。EFPAの図1. Subtechnologiesは現在、三つの異なるサブ技術から構成されています。これらの技術はTIRPAS、PAS / TIRPASの屈折計、およびOTPASです。それぞれの技術は、導出または異なる特性を決定するために材料を評価することができます。 TIRPASは、バイオセンシングの目的のためにその光吸収に基づいて物質を検出し、PAS / TIRPASの屈折計は、バルクの屈折率を評価し、OTPASは薄膜の屈折率ANを評価しますdは厚さ。 TIRPASでは、臨界角θcを超えた光は、光吸収体と相互作用する際に音響波を発生させることができるエバネッセントフィールドを作成します。 PAS / TIRPASの屈折計では、両方のTIRPASおよびPAS波形は、エバネッセント場光音響励起と伝統的な光音響励起の両方から得られます。角度スペクトラムのグラフでこれら二つのレジームをプロットすることにより、過渡的角度は次に屈折率を導出するために使用することができる、観察することができます。最後に、OTPASに、音響信号のスペクトルは、基板上に薄膜と裸の基板の両方のための臨界角θcを超えてレーザ照射を用いて得られます。データに非線形カーブフィッティングアルゴリズムを適用することにより、薄い膜厚と屈折率を導出することができる。この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。 <p class="jove_content" fo：キープtogether.withinページ= "1"> 図2. EFPA模式/写真左：レーザビームがラテックスゴムで覆われた検知領域を過剰充填するように拡張されなければならないEFPAを設定するには。示すように、ビームは、最初に、プリズムに45度の角度であるべきです。右：光学トレインを示すセットアップの写真この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。図3. サンプル・ロード。サンプルは、基板への液浸油を介して光コンタクトをとるプリズムがロードされます。 TIRPASまたはPAS / TIRPASの屈折計では、直接液体接触は、試験のための基板上のサンプルを用いて達成されます。 OTPAS、光結合のthroで光トンネリングが起こるためにぐふっ基板と赤いラテックスゴムとの間に追加の液浸油ができます。マウントは、その後、トルクレンチを使用して、ネジを取り付け締めである。この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。図4. TIRPAS典型的なデータ。TIRPAS波形は一般的にTIRPAS法の特徴であるバイポーラ音響信号の外観を持っている。この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。図5. PAS / TIRPAS典型的なデータを。</ strong>の左：様々な入射角で試料に照射して得られる角度スペクトルデータ。右：今度は臨界角の位置に対応するTIRPAS体制へのPASからの移行を示す極小値を、明らかに左図の数値誘導体です。許可を得て転載。18 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。図6.プログラムのフローチャート。プログラムは、いくつかの反復ステップで実行されます。プリズムマウントはゼロ度に設定され、その後のパラメーターは、プログラムを実行する前に、選択されます。その後、プログラムは、基板とフィルムの両方の角スペクトルを取得するために実行されます。最後に、曲線は、膜の屈折率及び厚さを推定するためのデータに適合さ。許可を得て転載。6 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。図7. OTPAS典型的なデータ左：この図は、それぞれのMgF 2膜とN-BK7基板の角スペクトルスキャンを示しています。右：N-BK7基板スキャンによってスキャンのMgF 2膜角スペクトルを分割し、一定の係数βを乗算することにより、入射角対光学トンネリング（％）の程度は、屈折率の推定を可能にする、取得することができます薄膜の屈折率と厚さ。この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。 PAS / TIRPAS サンプル1 サンプル2 サンプル3 サンプル4 サンプル5 愛宕R-5000 ダイレクト赤/ PEG 125 / mlの 1.395 1.395 1.395 1.395 1.395 1.395から1.397 ダイレクト赤/ PEG 250 / mlの 1.39 1.39 1.39 1.39 1.39 1.390から1.396 ダイレクト赤/ PEG 500 / mlの 1.388 1.389 1.389 1.389 1.389 1.381から1.395 ダイレクト赤/ PEG 750 / mlの 1.382 1.382 1.387 1.387 1.387 1.372から1.395 </tD> ミオグロビン 460 / mlの 1.33 1.329 1.331 1.33 1.331 1.335 表1. PAS / TIRPAS結果。次の表では、PEGは、屈折率を高めるために混入50％とダイレクトレッド色素のための典型的な結果を示しています。許可を得て転載。18 視力検査表技術フィルムタイプ屈折率膜厚（nm） Intrasample OTPAS MgF 2を200nmの 1.384±0.004 203±6 Intrasample 関数ellipsometry MgF 2を200nmの 1.393±0.001 192.4±1.1 サンプル間 OTPAS MgF 2を200nmの 1.395±0.011 220±19 サンプル間偏光解析法 MgF 2を200nmの 1.392±0.002 195.2±1.8 表2. OTPAS結果。次の表は、分光エリプソメトリ対OTPASさ200nmのMgF 2薄膜の典型的な結果を示しています。 Intrasampleは、サンプル間のに対し独立10フィルムを試験を意味し、単膜を10回試験を指します。許可を得て転載。6 平均値の＃ </strong> 1 角度を開始 60 ウォームアップ（分） 0 屈折率（プリズム） 1.519 ＃スキャン 1 刻み幅 0.1 に保存「yourfilename」の.csv マイクロステップ＃ 10 集合Qスイッチ 275 停止角度 80 レーザーを選択 Surelite 速度（RPM） 500 許容誤差（％） 5 レーザースタートアップに低域通過フィルタ（PROGRAM） 1.00×10 7 アクセラ（RPS） 200 PAS / TIRPASの屈折計表 3. 角度スペクトルの設定を行います。次の表は、PAS / TIRPASの屈折率測定における角度スペクトルに必要な設定を示しています。平均値の＃ 64 角度を開始 70 ウォームアップ（分） 1 屈折率（プリズム） 1.519 ＃スキャン 1 刻み幅 0.1 に保存「yourfilename＆＃8221;の.csv マイクロステップ＃ 10 集合Qスイッチ 275 停止角度 72 レーザーを選択 Surelite 速度（RPM） 500 許容誤差（％） 5 レーザースタートアップにローパスフィルタ（プログラム） 1.00×10 7 アクセラ（RPS） 200 OTPAS 表 4. 角度スペクトルの設定。次の表は、OTPASにおける角度スペクトルに必要な設定を示しています。低屈折率 1 </ TD> 公差 1.00×10 -12 カプラーRI 1.519 基板データ yourfilename.csv選択下側の厚さ 0 nmの屈折率の推測 1.3 波長 532 nmの複数のファイルをに保存します yourfilename.csv選択アッパー厚さ 1000nmで厚さの推測 200 nmの偏光 P偏どのように多くのファイルあなたが合うようにしたいファイルの＃最大反復 5,000 基板RI 1.519 フィルムデータ yourfilename.csv選択フィットのタイプシングルフィット/バッチフィット表5. カーブフィッティングパラメータ。次の表は、正しいパラメータ推定のために必要な曲線フィッティングパラメータを示しています。補足コードファイル：。OTPAS薄膜analyzer_USB-5133.vi このファイルをダウンロードするにはこちらをクリックしてください。

Discussion

The use of devices for the characterization of materials at the nanoscale will undoubtedly continue far into the future in order to produce new materials and combinations of materials to solve difficult and costly societal problems. Many methods such as ellipsometry, atomic force microscopy (AFM), and traditional photoacoustics are currently used to evaluate material properties at the nanoscale despite their inherent limitations due to few alternatives. EFPA shows promise as a consolidated set of techniques that can push beyond the typical limitations of the photoacoustic effect to provide a single instrument to characterize materials at the nanoscale.

The protocol described herein and its associated sub-techniques have the capability to estimate both bulk and thin film refractive indices of a material, film thickness, and have detection capabilities for a variety of biosensing applications. OTPAS specifically has the advantage that it can estimate the thickness and refractive index of nanometer scale films despite the fact that the films themselves do not contain inherently absorbing pigmentation. EFPA as a consolidated set of techniques has a few advantages over techniques such as ellipsometry, atomic force microscopy, and the traditional photoacoustic effect. The first advantage is that EFPA is comparatively inexpensive to set up. A typical EFPA setup can estimate refractive index from both the bulk and surface, can estimate thickness, and can probe absorbing materials and will cost around $5,000 to set up. In contrast, AFM setups cost around $50,000 and cannot estimate optical properties. Secondly, EFPA can estimate these properties within a few minutes without complex interaction such as in ellipsometry where input parameter error can cause differences in results. Finally, EFPA, when compared to the traditional photoacoustic effect, has axial resolution 100X smaller as it can estimate thickness of 200 nm films⁶ whereas the traditional photoacoustic effect is limited to 7,500 nanometers when using similar lasers and setup⁸². Conveniently, almost every material has independent and differing surface and bulk refractive index properties as well as absorptive properties, which collectively make for functional differences in their use in optical research systems.

Critical steps within the protocol come down to three primary considerations. First, optical coupling of the sample, whether that be a liquid or a film, is crucial to obtain reliable and repeatable results. Air bubbles within the immersion oil or sample will lead to inaccurate characterization of the thickness, refractive index, and in some cases a complete lack of sensitivity of the transducer to the excited sample owing to the inability of ultrasound to adequately pass through a liquid/air interface due to vastly differing acoustic impedance values. Second, with regard to OTPAS, a sample that is homogeneously thick in the area irradiated by the laser beam in order to provide consistent thickness values during scanning since as of yet EFPA cannot determine thickness differences within the area of excitation. Finally, again with regard to OTPAS, the sample film must be transparent to the wavelength being used. This is a fundamental assumption made in the mathematical equations that describe how OTPAS finds thickness and refractive index values. If absorption is substantial enough that more than 1% of the incident light is absorbed by the film, characterization will not match the real thickness and refractive index values of the film.

Modifications to the EFPA technique can be made with relative ease and other types of components can be substituted in for more effective scans or functionality. The only major issues that have to be addressed when building an EFPA system are the following. First, it is crucial to have a method of automatically rotating a prism mount and acquiring acoustic signals at small (0.05 degree) increments. Second, having a nanosecond pulse width or shorter laser system to excite samples using the photoacoustic effect. Third, having a graphical user interface or program to acquire the data to do mathematical curve fitting and numerical derivatives for estimating thickness and bulk/thin film refractive index.

There are three fundamental limitations to EFPA. The first is that in order to find the bulk refractive index, thin film refractive index, thickness, or detect materials using TIRPAS, the sample must have a refractive index that is less than that of the prism or substrate it is in contact with so that total internal reflection can occur which is the basis of all three of these techniques. The second limitation is that EFPA currently requires physical contact in order to estimate thickness, refractive index, and for detection of properties. The final limitation is that OTPAS, a sub-technique of EFPA, currently requires optically transparent materials to estimate thickness and refractive index of the thin film of interest.

This type of consolidated instrument could find many applications in characterization environments including research cores and industrial environments. Future work regarding EFPA techniques is focused on the improvement of the refractive index accuracy through improvements in instrumentation and translational/rotational stages. Additional advancements will focus around the improvement of signal-to-noise ratio for the detection of smaller quantities of absorbing materials, so as to characterize weakly absorbing materials, as are found most commonly in biological systems.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

このプロジェクトは、全米科学財団BRIGE賞（1221019）によって賄われていました。

Materials

100 mm plano convex lens	Thorlabs	LA1509	Plano convex lens for beam expander
-30 mm plano concave lens	Thorlabs	LC2679	Plano concave lens for beam expander
10 MHz Ultrasonic transducers	Harisonic	I31006T	Ultrasonic sensors used for photoacoustic detection, both for laser energy measurement and for OTPAS mount
Immersion oil Type A	Cargille	16482	Index of 1.519 to match that of NBK-7 substrates

Natural latex rubber sheet (red)	McMastercarr	86085K11	Index ~1.519 to match that of Type A immersion liquid to act as an optical absorber to measure optical tunneling and laser energy

Laser goggles	VERE	53	Used to protect eyes from laser light
Cage mounted non polarizing beam splitter cube	Thorlabs	CM1-BS013	Split laser light so that one half can be measured and one half can be used for excitation

Cage mounted polarizing beam splitter cube	Thorlabs	CM1-PBS251	Ensure light is polarized before being used for optical tunneling experiments

Graduated ring activated iris diaphragm	Thorlabs	SM1D12C	Cut beam down to a smaller size for alignment

Data acquisition card	National Instruments	USB-5133	USB oscilloscope to acquire data
Stepper motor driver	National Instruments	MID-7604	Stepper motor driver to drive stepper motors for angular spectra
Sherline XY stage (14”)	Sherline	5600-CNC/5610-CNC	Sherline XY stage

4-jaw self centering chuck	Sherline	1076/1034	Sherline rotational attachment

Right angle attachment	Sherline	3701	Right angle attachment to attach rotational mount

CNC rotary table	Sherline	8730	Rotary table for holding OTPAS prism/sample

Surelite I-20 laser system	Continuum	I-20	Q-switched Nd:YAG laser for exciting samples

NBK-7 prism	Thorlabs	PS911	Right angle prism for EFPA

Adjustable torque wrench	Tohnichi	RTD40Z	Adjustable torque wrench to equally tighten down the EFPA mount for each technique to 16.75 g/mm

Digital level	Micromark	84519	Digital level to ensure EFPA prism holder starts at 0 degrees.

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Goldschmidt, B. S., Rudy, A. M., Nowak, C. A., Tsay, Y., Whiteside, P. J. D., Hunt, H. K. Evanescent Field Based Photoacoustics: Optical Property Evaluation at Surfaces. J. Vis. Exp. (113), e54192, doi:10.3791/54192 (2016).

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