Evanescent поля на основе фотоакустика: Оптическая Оценка недвижимости на поверхностях

Успехи в понимании оптических материалов ^{1,3,4,6,7,10,13-16} предоставили новые идеи в создании тонких пленочных материалов для целого ряда оптических устройств, в том числе просветляющих покрытий на линзы, высокий коэффициент экстинкции оптического фильтры и сильнопоглощающие плиты волноводы ^17. Эти достижения были бы невозможны без использования многих методов определения характеристик, таких как эллипсометрии ^4,6,18, измерения угла контакта, атомно – силовой микроскопии ^7,11,19 и сканирующей / трансмиссионной электронной микроскопии, которые помогают в итерационном улучшении эти технологии путем предоставления прямых мер или косвенные оценки фундаментальных оптических свойств материала. Упомянутые свойства, такие как показатель преломления, регулируют, как материалы взаимодействуют с падающих фотонов, которые непосредственно влияют на их функцию и их использование в оптических приложений. Тем не менее, каждый из этих методов имеет свои ограничения, связанные с resoluции, подготовка проб, стоимость и сложность, и каждый генерирует только часть данных, необходимых для полной характеристики материала. Это , как говорится, новый набор методов, известных как затухающих фотоакустика базирующихся на местах (EFPA) ^{5,6,15,18,20-49} , как показано на рисунке 1, имеет потенциал для оценки свойств материалов на наноуровне в сводный множество экспериментов. EFPA охватывает суб-методы полного внутреннего отражения фотоакустическом спектроскопии (TIRPAS) ^{23,25,26,33-35,43-45,} фотоакустическая спектроскопия / полное внутреннее отражение фотоакустическая спектроскопия рефрактометрии (ССА / TIRPAS рефрактометрии) ^18, и оптический туннельный фотоакустическом спектроскопии (OTPAS) ^6, и используется для оценки объема и тонкой пленки показатель преломления, толщина пленки, а также для обнаружения поглощающих материалов на призмы / образец или раздела подложка / образца.

Для того, чтобы понять механизм EFPA, одиндолжны сначала понять концепцию фотоакустическом спектроскопии (ПАС), которая относится к генерации ультразвуковых волн давления быстрым термоупругой расширения хромофора, после поглощения ультра-коротких (<микросекунды) импульса света (рисунок 1). Теоретическая и математическая основа для фотоакустическом эффекта , описанного в этом документе , можно получить здесь ^50-59. Результирующее изменение давления может быть обнаружен с помощью ультразвукового микрофона или датчика. Фотоакустический эффект, первоначально обнаруженный в 1880 году с изобретением фотофон Александра Грэма Белла, была "вновь открыта" в начале 1970-х годов из-за достижения в области лазерной и технологии микрофона, и в конечном итоге положить в практическое использование, чтобы заполнить нишу приложений от биомедицинской визуализации для тонкой пленки анализ для неразрушающего контроля материалов. ^{1,53-57,59-82} Этот эффект может быть математически описана с одномерными волновых уравнений, в которых ее волна представляет собой простой источник звука которого давление (р) изменяется как в положении (х) и время (т):

решения для простых акустических источников вида ⁶⁴

где р давление, Γ = αv _s ² / С _р , где α коэффициент объемного теплового расширения, v _s является скорость звука в среде, и С _р есть теплоемкость при постоянном давлении, Н ₀ является лучистая экспозиция лазерного луча, с – скорость звука в среде , возбужденной, х длина, и т является время. Величина результирующего акустической волны зависит непосредственно от коэффициента оптического поглощения материала, мкА, WHICH является инверсией от глубины проникновения оптического, б, которое в свою очередь является мерой расстояния свет проходит до тех пор, пока не спадает до 1 / е от его исходной оптической интенсивности. В то время как уравнение (1) представляет собой общее уравнение для источника волн в одной мерной плоскости, типичные поглотители будет излучать сферическую акустическую волну в трех измерениях. Помимо математического описания, применение фотоакустическая эффект ⁵⁴ пролетов многих методов в визуализации , таких как микроскопии, томографии и даже молекулярной визуализации вследствие фотоакустическом эффекта , имеющего высокую чувствительность из – за большого оптического поглощения , обусловленные естественным образом присутствуют хромофора гемоглобина. Другие применения фотоакустическом эффекта даже включать оценку различных тонких свойств пленок ^{15,16,20,21,24,26-32,36-39,41,42,56,83,84.} Однако PAS имеет определенные ограничения: (1) его обширная глубина проникновения оптического исключает возможность проверки ближнего поля на оптические свойства поверхностей (2)s эффективность улавливания излучаемого акустической энергии мала из-за сферической распространения большинства энергии от детектора (3) образцы должны включать хромофоров в режиме длины волны рассматриваемой.

В сочетании с затухающими методами полевых основе, тем не менее, многие из этих ограничений могут быть облегчены. Затухающих поле возникает, когда луч света испытывает полное внутреннее отражение (TIR), как описано законом Снеллиуса, что эффект позволяет также волоконно-оптические волноводы, чтобы направлять свет на большие расстояния (км) для вычислительных и телекоммуникационных приложений. В практических вариантах применения затухающих поле используется в различных методов анализа характерных особенностей и визуализации технологий, в том числе нарушенного полного отражательной спектроскопии (ATR). Обработки изображений достигается с высокой контрастностью благодаря удержанию света в течение первых нескольких сотен нанометров в образец интереса. Затухающих поле принимает форму exponentiallу затухающей поле, которое распространяется во внешнюю среду на глубину проникновения оптического, что, как правило, порядка длины волны используемого (обычно ~ 500 нм или меньше), как показано в уравнениях 3 и 4.

где I- интенсивность света в% на месте г от границы раздела призмы / образца, I ₀ , начальная интенсивность света в% на границе раздела, Z является расстояние в нанометрах, а δ _р глубина оптического проникновения , как показано в уравнении 4. при такой небольшой глубины проникновения оптического, эванесцентной поле может взаимодействовать с окружающей средой очень близко к границе раздела двух материалов, а также существенно ниже оптических и акустических дифракционных пределов. Оптические свойства материалов или частиц в этом диапазоне может возмущать поле или иным образом изменять свое поколение, которое взаимодействие можно обнаружить с помощью различных методов , ^3,5,6,10,15,17,18,21,23,25-27,29-47,84-95.

Когда затухающих методы сочетаются с PAS, Фотоакустический формы волны , полученные могут быть использованы для характеристики материалов или частиц , взаимодействующих с затухающей поле, создавая мимолетную-поля на основе фотоакустика семьи (EFPA) методов, как показано на рисунке 1. Это семейство включает в себя, но не ограничивается ими, полное внутреннее отражение фотоакустическая спектроскопии (TIRPAS), оптический туннельный фотоакустическая спектроскопии (OTPAS), и поверхностного плазмонного резонанса фотоакустическом спектроскопии (SPRPAS). Заинтересованный читатель должен обратиться к следующим ссылкам для дифференцирования уравнений , используемых для TIRPAS ^{5,6,18,23,25,26,33-35,43-47,} PAS / TIRPAS рефрактометрия ¹⁸ и OTPAS ^6. В каждом случае Фотоакустический эффект генерируется с помощью другого механизма возбуждения, чем просто пропусканием через призму; например, в TIRPAS, свет evanescentlyв сочетании через / подложки / интерфейс образца призмы в хромофоров (которая может включать сам образец материала или гостевые молекулы в образце), тогда как в SPRPAS, основной способ возбуждения вместо того, чтобы за счет поглощения поверхностного плазмона, которая вторичный ЭМ волны создается, когда энергия исчезающего поля переносится в электронное облако металлического слоя, нанесенного на поверхность призмы. Это семейство методов первоначально был изобретен в начале 1980 – х Hinoue и др., А также улучшены Т. Инагаки и др. С изобретением SPRPAS, но видел очень мало развития из – за технических ограничений , источников света и имеющегося оборудования для обнаружения , Совсем недавно, предыдущие исследования показали, что повышенная чувствительность и полезность возможны с современной поливинилиденфторид (ПВДФ) ультразвуковых детекторов и с модуляцией добротности неодимом иттрий-алюминиевом гранате (Nd: YAG) лазеров. В частности, наносекундным импульсным Nd: YAGлазеров приводят к 10 ⁶ кратное увеличение пиковой мощности, что позволяет технику EFPA стать полезным инструментом для оценки оптических свойств различных материалов и интерфейсов ^{5,6,15,18,21-29,31-47,84 , 96.} Кроме того, предыдущая работа также показывает , способность таких методов , чтобы определить структурную информацию о материалах на границе раздела, который не был ранее никогда достижимо с традиционными фотоакустическая спектроскопии (ПАС) технологии из – за их относительно большой глубины проникновения ^{53,55,57,59, 61,62,69,73,75,80,81.}

Эта возможность показана в протоколах, которые следуют по методике OTPAS; Однако, на более фундаментальном уровне три метода каждый полагаются на другом окончательное уравнение, которое определяет возможности технологии. Например, в TIRPAS, оптической глубины проникновения исчезающего поля, б _'р, в первую очередь приводит в результате акустическиеинтенсивности сигнала к поглощающим образца, и описывается следующим образом:

где λ ₁ длина волны света , проходящего через призму среды и определяется соотношением Х ₁ = λ / N ₁ , где N ₁ является показатель преломления материала призмы. Кроме того, θ обозначает угол возбуждения, и N ₂₁ относится к соотношению показателей преломления каждой среды и определяется N ₂₁ = N ₂ / N _1, в которой N ₂ показатель преломления материала образца. Чем больше глубина оптического проникновения, тем больше материала облучается. Для фотоакустическом эффекта, тем больше глубина оптического проникновения, тем больше материала возбуждается, что может производить акустические волны, ведущие к большей акустического сигнала.

где N ₁ показатель преломления призмы, θ ₁ является угол падения на границе раздела призмы / образца, N ₂ является показатель преломления образца, и θ ₂ является углом света , который преломляется через второй средний. Чувствительность оценки показателя преломления материала , в основном за счет точности оценки & thetas _1. В полного внутреннего отражения, которое достигается , когда θ ₁ находится за пределами критического угла , который генерирует мимолетную поле, SIN & thetas ₂ = 1 и , следовательно, уравнение 5 сводится к п ₂ = п ₁ sinθ _1. (Примечание: θ ₁ =θ _{критическое)} Зная угол , при котором численное производная (дР / dθ где Р от пика до пика напряжения фотоакустическом сигнала и & thetas является угол падения света с образцом) фотоакустического сигнала имеет локальные минимумы позволяет для оценки ф ₁ , что позволяет пользователю решить для п ₂ и , таким образом , оценить объемную преломления образца , как показано на рисунке 1.

И, наконец, в OTPAS следующее уравнение связывает оптическую передачу сигнала в% к фотоакустическом от пика до пика напряжения путем:

где Т представляет собой процент передачи оптических сигналов, р представляет собой напряжение от пика до пика , порожденное углового спектра подложки с пленкой на ней, р ₀ это напряжение от пика до пика , порожденный угловым спектром OФ.А. субстрат, β константа связи на основе показателя преломления призмы и иммерсионного масла, α является коэффициент затухания, и является фактором , который включает в себя толщину и показатель преломления пленки образца в пределах исчезающего поля. Чувствительность этого метода для толщины и показателя преломления обусловлен точности оценки от пика до пика акустических интенсивности сигнала, р и р ₀ при каждом угле падения в угловом спектре. Было показано , что β может быть непосредственно вычислен на основе показателей преломления призмы и иммерсионного масла; следовательно, это простая задача для расчета оптической передачи при каждом угле падения и затем извлечь оценку для показателя преломления и толщины пленки на основе статистического анализа подгонки кривой. Заинтересованный читатель должен обратиться к Гольдшмидт и др. Для получения дополнительной информации. ^5,6

Tон EFPA система представляет собой систему на основе фотоакустическая способна оценить толщину, тонкий показатель преломления пленки, навальный показателя преломления и генерации акустических сигналов через оптического поглощения для обнаружения. Система состоит из лазера, оптический поезд, чтобы направлять свет призмы / образца и в сторону измерения энергии лазерного излучения. Сторона измерения лазерная энергия используется для нормализации ФА – сигнала к падающей энергии лазера , как показано на рисунке 2. Система EFPA управляется водителем шагового двигателя для вращения призмы / образец для угловых спектров в PAS / TIRPAS рефрактометрии и OTPAS , Система получает данные через цифровую карту сбора и предоставляет пользовательский интерфейс и автоматизированного управления стадии через в домашней программе.