Evanescente Campo photoacoustics Baseado: Avaliação da Propriedade óptica a Surfaces

Avanços na compreensão dos materiais ópticos ^{1,3,4,6,7,10,13-16} forneceram novos insights sobre a criação de materiais de filme fino para uma série de dispositivos ópticos, incluindo revestimentos anti-reflexo sobre as lentes, alta taxa de extinção óptica filtros e guias de onda de placas altamente absorventes ^17. Estes avanços não seria possível sem o uso de muitas técnicas de caracterização, como elipsometria ^4,6,18, medida do ângulo de contato, microscopia de força atômica ^7,11,19, e microscopia eletrônica de varredura / transmissão, que auxiliam na melhoria iterativa estas tecnologias, fornecendo medidas directas ou estimativas indiretas de propriedades fundamentais materiais ópticos. Disse propriedades, tais como o índice de refração, governar como os materiais interagem com fótons incidentes, o que afeta diretamente a sua função e seu uso em aplicações ópticas. No entanto, cada uma destas técnicas tem as limitações relativas à résolução, a preparação da amostra, o custo e a complexidade, e cada um gera apenas um subconjunto dos dados necessários para caracterizar completamente o material. Dito isto, uma nova série de técnicas conhecidas, como fotoacústica à base de campo evanescente (EFPA) ^{5,6,15,18,20-49} como mostrado na Figura 1, tem o potencial para estimar as propriedades do material em nanoescala numa consolidada um conjunto de experiências. EFPA abrange os sub-técnicas do total espectroscopia fotoacústica reflexão interna (TIRPAS) ^{23,25,26,33-35,43-45,} espectroscopia fotoacústica / reflexão interna total espectroscopia fotoacústica refractometry (PAS / TIRPAS refractometry) ^18, e fotoacústica tunneling óptica espectroscopia (OTPAS) ^6, e foi utilizado para estimar a granel e o índice de refracção de película fina, espessura do filme, bem como para detectar material com absorção a um prisma / amostra ou interface substrato / amostra.

A fim de compreender o mecanismo EFPA, umadeve primeiro compreender o conceito de espectroscopia fotoacústica (PAS), que se refere à geração de ondas de pressão de ultra-sons com a rápida expansão termoelástica de um cromóforo, após a absorção de um impulso de ultra-curta (<ms) de luz (Figura 1). Enquadramento teórico e matemático para o efeito fotoacústico discutido neste artigo pode ser obtido aqui ^50-59. A alteração da pressão resultante pode ser detectado por um microfone de ultra-sons ou transdutor. O efeito fotoacústica, originalmente descoberto em 1880 com a invenção do photophone de Alexander Graham Bell, foi "redescoberto" no início de 1970, devido aos avanços na tecnologia laser e microfone, e, eventualmente, colocar em uso prático para preencher nichos de aplicações de imagiologia biomédica para película fina análise de ensaios não-destrutivos de materiais. ^{1,53-57,59-82} Este efeito pode ser matematicamente descrito com equações de onda unidimensional, no qual the uma fonte de onda acústica é simples cuja pressão (p) varia em ambas as posições (x) e o tempo (t):

com soluções para fontes acústicas simples do formulário ⁶⁴

onde P é a pressão, Γ = aV _S ² / C _P onde α é o coeficiente de expansão térmica de volume, v _s é a velocidade do som no meio, e C _P é a capacidade de calor a uma pressão constante, H ₀ é a exposição radiante do feixe de laser, c é a velocidade do som no meio animado, X é o comprimento, e t é o tempo. A magnitude da onda acústica resultante assenta directamente sobre o coeficiente de absorção óptica do material, _um u, which é o inverso da profundidade de penetração óptico, δ, que por sua vez é uma medida da distância a que a luz viaja até que ele decai para um / e da sua intensidade óptica inicial. Enquanto a Equação (1) é uma equação geral de uma fonte de onda um plano dimensional, absorvedores típicos irá emitir uma onda acústica esférica em três dimensões. Além da descrição matemática, aplicações das fotoacústica efeito ⁵⁴ estendem por muitos métodos de imagem como a microscopia, tomografia, e até mesmo imagiologia molecular devido ao efeito fotoacústica com alta sensibilidade, devido ao grande absorção óptica, devido à presente naturalmente hemoglobina cromóforo. Outras aplicações do efeito fotoacústico mesmo incluem a estimativa de várias propriedades dos filmes finos ^{15,16,20,21,24,26-32,36-39,41,42,56,83,84.} No entanto, o PAS tem certas limitações: (1) a sua grande profundidade de penetração óptico elimina a capacidade de sonda de campo próximo propriedades ópticas em superfícies (2)s eficiência de captura a energia acústica emitida é baixo devido à propagação esférica de a maioria da energia de distância a partir do detector (3) as amostras devem incluir cromóforos no regime de comprimento de onda em apreço.

Quando combinado com técnicas baseadas em campo evanescente, no entanto, muitas dessas limitações podem ser melhorados. O campo evanescente ocorre quando um feixe de luz sofre uma reflexão interna total (TIR), conforme descrito por Lei de Snell, a qual também permite efeito guias de ondas de fibra óptica para guia de luz de grandes distâncias (km) para aplicações de computação e de telecomunicações. Em aplicações práticas, o campo evanescente é utilizado em uma variedade de tecnologias de caracterização e de imagem, incluindo a espectroscopia de reflectância total atenuada (ATR). Imagens é conseguido com alto contraste devido ao confinamento da luz para dentro das primeiras poucas centenas de nanómetros na amostra de interesse. O campo evanescente toma a forma de um exponentiallY campo em decomposição, que se estende para o meio externo a uma profundidade de penetração óptico que é tipicamente da ordem do comprimento de onda a ser utilizado (normalmente ~ 500 nm ou menos), como mostrado nas equações 3 e 4.

onde I é a intensidade da luz em% para uma z localização a partir da interface do prisma / amostra, que ₀ representa a intensidade de luz inicial em% na interface, z é a distância em nanómetros, e δ _p é a profundidade de penetração óptica, conforme mostrado na equação 4. com tal uma pequena profundidade de penetração óptico, o campo evanescente é capaz de interagir com o ambiente muito perto da interface das duas matérias, e bem abaixo dos limites de difracção ópticos e acústicos. As propriedades ópticas dos materiais ou partículas dentro desta gama podem perturbar o campo ou de outro modo alterar a sua geração, que a interacção pode ser detectada por uma variedade de métodos de ^3,5,6,10,15,17,18,21,23,25-27,29-47,84-95.

Quando as técnicas de evanescentes são combinados com PAS, as formas de onda fotoacústica produzidas podem ser utilizadas para caracterizar materiais ou partículas que interagem com o campo evanescente, criando o evanescente-campo fotoacústica base (EFPA) família de técnicas, tal como mostrado na Figura 1. Esta família inclui, mas não está limitado a, espectroscopia de reflexão total interna fotoacústica (TIRPAS), encapsulamento óptico espectroscopia fotoacústica (OTPAS), e a superfície de ressonância plasmónica de espectroscopia fotoacústica (SPRPAS). O leitor interessado deve consultar as seguintes referências para derivações das equações utilizadas para TIRPAS ^{5,6,18,23,25,26,33-35,43-47,} PAS / TIRPAS refractometry ^18, e OTPAS ^6. Em cada caso, o efeito fotoacústico é gerado por meio de um mecanismo de excitação diferente do que a simples transmissão através de um prisma; por exemplo, em TIRPAS, a luz é evanescentlyacoplado através de uma interface de prisma / substrato / amostra para os cromóforos (que pode incluir o material da amostra em si, ou moléculas hóspedes no interior da amostra), enquanto que na SPRPAS, o modo primário de excitação é em vez através da absorção de um plasmónica de superfície, que é uma onda eM secundário criado quando a energia do campo evanescente é transferido para dentro da nuvem de electrões de uma camada de metal depositada sobre a superfície do prisma. Esta família de técnicas foi originalmente inventado no início de 1980 por Hinoue et al., E melhorada por T. Inagaki et al., Com a invenção de SPRPAS, mas viu muito pouco o desenvolvimento devido a limitações técnicas das fontes de luz e equipamento de detecção disponíveis . Mais recentemente, as investigações anteriores mostraram que o aumento da sensibilidade e utilidade são possíveis com fluoreto de polivinilideno moderna (PVDF) detectores de ultra-sons e granada de ítrio e alumínio dopado com neodímio comutação-Q (Nd: YAG) lasers. Especificamente, nanossegundo-pulsado de Nd: YAGlasers resultar em um aumento de 10 vezes em ⁶ a potência de pico, que permite técnicas EFPA a tornar-se ferramentas úteis para avaliar as propriedades ópticas de uma variedade de materiais e interfaces ^{5,6,15,18,21-29,31-47,84 , 96.} Além disso, o trabalho anterior mostrou ainda mais a capacidade de tais técnicas para determinar informações estruturais sobre os materiais em uma interface, o que era anteriormente não alcançáveis ​​com as tecnologias de espectroscopia fotoacústica tradicional (PAS), devido à sua relativamente grande profundidade de penetração ^{53,55,57,59, 61,62,69,73,75,80,81.}

Esta capacidade é mostrado nos protocolos que se seguem sob a técnica OTPAS; no entanto, a um nível mais fundamental as três técnicas de cada dependem de uma equação diferente definitivo, o qual determina a capacidade da tecnologia. Por exemplo, em TIRPAS, a profundidade de penetração óptica do campo evanescente, δ _'P, conduz primeiramente a acústica resultantea intensidade do sinal para uma amostra absorvente, e é descrita por:

onde λ ₁ é o comprimento de onda da luz que se desloca através do meio de prisma e é definido pela relação λ ₁ = λ / n em que n _{1 1} é o índice de refracção do material do prisma. Além disso, θ refere-se ao ângulo de excitação, e N ₂₁ refere-se à razão entre os índices de refracção de cada meio, e é definido por n = ₂₁ n ₂ / n _1, em que n é _2, o índice de refracção do material de amostra. Quanto maior for a profundidade de penetração óptico, o mais material está a ser irradiada. Para o efeito fotoacústico, quanto maior for a profundidade de penetração óptico, o mais material está a ser excitado que pode produzir ondas acústicas que conduzem a um sinal acústico maior.

em que n ₁ é o índice de refracção do prisma, θ ₁ é o ângulo de incidência na interface prisma / amostra, n ₂ representa o índice de refracção da amostra, e θ ₂ é o ângulo da luz que é refractada através da segunda médio. A sensibilidade de estimar o índice de refracção de um material é essencialmente ditada por a precisão da estimativa de θ _1. Em reflexão interna total, o que é conseguido quando θ ₁ está para além do ângulo crítico, que gera um campo evanescente, sin θ ₂ = 1 e, portanto, reduz a Equação 5 N ₂ = N ₁ sinθ _1. (Nota: θ ₁ =θ _crítica) Conhecer o ângulo no qual a derivada numérica (dP / dθ onde P é o pico a pico de tensão do sinal fotoacústico e θ é o ângulo de incidência da luz com a amostra) do sinal fotoacústico tem um mínimo local permite para a estimativa de θ _uma que permite que o utilizador a resolver para n ₂ e, assim, estimar o índice de refracção grandes quantidades de uma amostra, tal como mostrado na Figura 1.

Finalmente, em OTPAS, a seguinte equação relaciona transmissão óptica em% a pico fotoacústica para pico de tensão por:

em que T é a transmissão óptica por cento, p é a tensão de pico-a-pico gerada pela espectro angular de um substrato com um filme em que, p é ₀ a tensão de pico-a-pico gerada pela angular espectro ósubstrato de FA, β é a constante de acoplamento com base no índice de refracção do prisma e do óleo de imersão, α é o factor de atenuação, e é um factor que inclui espessura e o índice de refracção da película da amostra dentro do campo evanescente. A sensibilidade desta técnica à espessura e do índice de refracção é impulsionado pela exactidão da estimativa da intensidade de pico a pico do sinal acústico, p e p ₀ em cada ângulo de incidência no espectro angular. Tem sido demonstrado que β pode ser calculada directamente com base nos índices de refracção do prisma e do óleo de imersão; consequentemente, é uma tarefa simples para calcular a transmissão óptica a cada ângulo de incidência e, em seguida, para extrair uma estimativa para o índice de refracção e a espessura da película através de análise estatística de ajuste de curva. O leitor interessado deve consultar a Goldschmidt et al., Para mais informações. ^5,6

Tele EFPA sistema é um sistema baseado fotoacústica capaz de estimar a espessura, do índice de refracção de película fina, índice de refracção grandes quantidades, e a geração de sinais acústicos através de absorção óptica de detecção. O sistema é constituído por um laser, um trem óptico para orientar a luz para o prisma / amostra e para o lado da energia de laser de medição. O lado de medição de energia laser é usado para normalizar o sinal fotoacústico para a energia laser incidente, como mostrado na Figura 2. O sistema EFPA é conduzido por um condutor do motor de passo para girar o prisma / amostra para o espectro angular em PAS refractometria / TIRPAS e OTPAS . O sistema adquire dados através de uma placa de aquisição digital e fornece uma interface de usuário e controle do estágio automatizado através de um programa em casa.