زائل الميدان Photoacoustics استنادا: تقييم العقارات للبصريات على السطوح

يتمثل الهدف العام من هذه المجموعة من التقنيات الصوتية الضوئية في توصيف الخصائص البصرية للسوائل والمواد الصلبة والأغشية الرقيقة الشفافة باستخدام جهاز واحد مدمج. يمكن لهذه الطريقة أن تساعد في الإجابة على أسئلة رئيسية في مجال توصيف المواد، مثل تقدير السماكة ومعامل الانكسار. وتكمن الميزة الرئيسية لهذه التقنية في إمكانية قياس معامل الانكسار الكلي، ومعامل انكسار الشكل الرقيق، والسماكة، والامتصاص البصري في جهاز واحد.

يجب تحضير بعض المعدات لبدء التجربة. أولاً، تتطلب التجربة محولين للطاقة فوق الصوتية مثل هذه النماذج ذات تردد 10 megahertz المستخدمة في هذا البروتوكول. يحتوي كل منهما على أسطوانة من مطاط اللاتكس الأحمر بقطر 9 mm وسمك 1 mm، مثبتة بمادة الإيبوكسي على وجهه الأمامي.

يتم أيضاً لصق محول الطاقة المرجعي باستخدام الإيبوكسي إلى كتلة أكريليك، والتي تعمل كفاصل صوتي. هناك قطعة أخرى من المعدات يجب تحضيرها وهي حامل منشور التصوير الضوئي الصوتي القائم على المجال المتلاشي (EFPA). يتكون حامل منشور EFPA من قاعدة تثبيت للمنشور وقاعدة تثبيت لمحول الطاقة.

يتم تثبيت منشور في حامل المنشور. ويقوم حامل المحول بتثبيت أحد المحولات فوق الصوتية المُجهزة بحيث يكون اللاتكس مكشوفاً. ومع وجود المنشور والمحول في مكانهما، يتم تجميع جزئي حامل المنشور معاً، بحيث يواجه اللاتكس المنشور عبر فجوة مخصصة لاستيعاب العينة.

ثبّت القطع ببعضها البعض باستخدام البراغي. أما بقية الأجهزة الخاصة بهذه التجربة فهي مثبتة بالفعل على مقعد بصري. يتم توليد الشعاع بواسطة ليزر نيوديميوم-دوتيوم ألومنيوم غارنيت (Nd:YAG) يعمل بمفتاح تشغيل.

ينتقل مخرجه إلى موسع للحزمة. ويلي ذلك فتحة قابلة للتعديل يدويًا. والعنصر التالي هو مكعب مجزئ للحزمة مستقطب.

يدخل الشعاع بعد ذلك في مقسم أشعة غير مستقطب. يذهب أحد المخرجين إلى محول طاقة فوق صوتي مثبت سيعمل كمرجع، بينما يذهب المخرج الآخر من مقسم الأشعة إلى حامل منشور EFPA المثبت ومحول الطاقة الخاص به.

يندفع الشعاع الخارج من حامل المنشور إلى حاجب الشعاع. ويتم تركيب حامل منشور EFPA على منصة إزاحة XY theta لتمكينه من التموضع بشكل صحيح. كما يمكن تغيير زاويته بواسطة محرك خطوي يتم التحكم فيه بواسطة الكمبيوتر.

للاستعداد للتجربة، عُد إلى الليزر وموسع الحزمة. استخدم العدسات لإنشاء توسيع للحزمة بمعامل ثلاثة على الأقل. يجب أن يكون حجم الحزمة أكبر من حجم ممتص اللاتكس الموجود على المحولات.

بعد العمل على الموسع، استخدم ميزان مستوى رقميًا لمحاذاة الشعاع وحامل المنشور. يجب أن يكون الجانب المسطح من حامل المنشور عند درجة صفر بالنسبة للشعاع. قم بتوصيل وتشغيل المحولات، وراسمات التذبذب، والشاشات التي يتم التحكم فيها بواسطة الكمبيوتر.

استخدم كابلات BNC بمقاومة 50 ohm لتوصيل محول الطاقة المرجعي بالقناة صفر في راسم الإشارات (oscilloscope). قم بتوصيل محول الطاقة الموجود في حامل منشور EFPA بالقناة واحد. وبالنسبة لخطوات المحاذاة، تأكد من ارتداء نظارات السلامة المناسبة لليزر.

عند الفتحة القابلة للتعديل، قم بتقليل قطر الحزمة إلى 1 mm. وعند جهاز الكمبيوتر، ابدأ تشغيل البرنامج الذي سيتحكم في تنفيذ التجارب. استخدم البرنامج لتدوير حامل المنشور إلى 70 درجة.

انظر إلى المنشور بشكل عمودي على شعاع الليزر من الجانب، ولاحظ ما إذا كانت بقعة الليزر مرئية على اللاتكس. قم بضبط منصة الإزاحة XY theta يدويًا حتى يتم وضع بقعة الليزر بشكل صحيح على المحول. الهدف هو أن تكون البقعة في مركز اللاتكس.

عُد إلى الفتحة، ووسعها إلى أقصى مدى لها. راجع قياسات الطاقة الواردة من المحولات على جهاز الكمبيوتر. في هذه الحالة، يمثل الخط الأحمر قياس طاقة الليزر المباشرة، وهو المرجع.

يمثل الخط الأزرق الإشارة القادمة من المحول الموجود في حامل منشور EFPA. تحقق من أن القياسين لهما نفس المقدار تقريبًا. عند التأكد من صحة جميع الإعدادات، أوقف عملية القياس، وهو ما سيؤدي تلقائيًا إلى إعادة ضبط المنشور على صفر درجة قبل المتابعة.

ستُستخدم تقنية مطيافية الصوت الضوئية ذات الانعكاس الداخلي الكلي لتحليل العينة السائلة. العينة عبارة عن صبغة direct red dye 81 في الماء. بالإضافة إلى ذلك، تتطلب هذه التقنية زيت غمر متوافق في معامل الانكسار مع المنشور، بالإضافة إلى شريحة مجهرية كركيزة لتغطية سطح المنشور.

أخرج حامل منشور EFPA من التجهيزات وافتحه من أجل وضع العينة في مكانها. ابدأ بمنشور، وضع 2.5 µL من زيت الغمر في مركزه. بعد ذلك، ضع الركيزة فوق طبقة الزيت الموزعة.

بعد ذلك، انتقل للعمل على طبقة اللاتكس الموجودة على محول الطاقة فوق الصوتي EFPA. هناك، ضع 25 µL من العينة السائلة دون تكوين أي فقاعات. والآن، قم بإعادة تجميع حامل EFPA بوضع تركيبة ركيزة زيت المنشور فوق طبقة اللاتكس المغطاة بالعينة.

اضغط حامل المنشور، وثبّت المجموعة باستخدام براغي التثبيت. وعندما يصبح حامل EFPA جاهزاً، أعِده إلى إعداد التجربة. أعد وضع حامل EFPA في موضعه بين العناصر البصرية.

تأكد من جاهزية جميع المكونات قبل البدء في جمع البيانات. استخدم برنامج المختبر لقياس وعرض الإشارة الصوتية المتولدة من العينة. وتوضح البيانات جهد الذروة إلى الذروة كدالة في الزمن.

للاستعداد لإجراء قياس الانكسار بتقنية POSS TUR POSS، استخدم مرة أخرى حامل منشور EFPA من مجموعة الإعداد. افصل الحامل لكشف المنشور وعزل اللاتكس عن المحول. جهّز العينة، وزيت الغمر المتوافق في معامل الانكسار مع المنشور، وركيزة لتغطية سطح المنشور.

ضع 2.5 µL من زيت الغمر في مركز المنشور. قم بتغطية الزيت بوضع ركيزة فوق طبقة الزيت. انتقل إلى المحول في حامله وضع 25 µL من صبغة العينة على وسادته اللاتكسية.

بمجرد الانتهاء من ذلك، ضع حامل المنشور مع الزيت والركيزة فوق اللاتكس أو المحول. اضغط الحاملين معًا وثبتهما باستخدام براغي التثبيت. ومع استقرار حامل منشور EFPA في مكانه ضمن الإعداد، انتقل إلى البرنامج الذي يتم التحكم فيه بواسطة الكمبيوتر.

أدخل نطاق زوايا السقوط التي يجب قياس الطيف خلالها وحجم الخطوة. قم بتشغيل البرنامج لقياس الطيف ورسمه كجهد من القمة إلى القمة كدالة في الزاوية. وبدءاً من الطيف المقاس، استخدم برنامجاً لإيجاد المشتقة العددية بالنسبة للزاوية وتمثيلها بيانياً.

استخدم البيانات الممهدة من المشتقة العددية لتحديد القيم الصغرى المحلية وزوايا السقوط المقابلة لها يدويًا. تشير هذه القيم الصغرى إلى الانتقال من أنظمة POSS إلى أنظمة TUR POSS. قم بتجهيز حامل منشور EFPA لإعداده لعملية مطيافية الصوت الضوئية بالنفق البصري.

تأكد من فصل حوامل المنشور والمحول، ومطابقة معامل انكسار زيت الغمر مع المنشور المستخدم. العينة عبارة عن غشاء رقيق من فلوريد المغنيسيوم مرسب على شريحة زجاجية. ضع 2.5 µL من زيت الغمر في مركز المنشور.

بعد وضع الزيت في مكانه، وجّه العينة بحيث يكون الغشاء الرقيق بعيداً عن المنشور، ثم ضع العينة فوق الزيت. وعند قاعدة تثبيت المحول، ضع 25 microliters من زيت الغمر على الوسادة اللاتكسية، بحيث يغطي السطح بالكامل دون تكوين فقاعات. اجعل اللاتكس في حالة تلامس مع العينة، وأحكم ربط براغي التثبيت لضغط المجموعة.

أعد حامل EFPA إلى الإعداد البصري، واستعد لإجراء التجربة. أدخل المعلمات الخاصة بأخذ طيف زاوي عبر الكمبيوتر وابدأ عملية القياس. تمثل هذه البيانات المستمدة من مطيافية الصوت الضوئي بالانعكاس الداخلي الكلي الموجة الصوتية المتولدة من عينة ماصة.

في هذه الحالة، صبغة Red Dye 81 في الماء. وتحدث الطبيعة ثنائية القطب للموجة بسبب الانعكاس الصوتي عند الواجهة بين العينة والركيزة الزجاجية، حيث يوجد فرق كبير في الممانعة الصوتية. وتعمل تقنية POSS TUR POSS على توليد طيف زاوي.

عندما يتم حساب المشتقة العددية في smooth، فإن القيمة الصغرى المحلية تقابل الزاوية الحرجة المقاسة. ومن خلال معرفة هذه الزاوية، يمكن حساب معامل الانكسار الكلي عند الطول الموجي لليزر المستخدم في التجربة. يمثل هذا الطيف الزاوي لإشارة طاقة الليزر المعيرة لفيلم من المغنيسيوم على ركيزة من الزجاج البصري NBK-7.

يمكن إيجاد النسبة المئوية للنفق البصري كدالة لزاوية السقوط من هذه القيم. وتجعل هذه المعلومات من الممكن تقدير معامل الانكسار والسمك. وأثناء محاولة تنفيذ هذا الإجراء، من المهم تذكر منع تكون الفقاعات في الزيت أو العينة.

بعد مشاهدة هذا الفيديو، يجب أن يكون لديك الآن فهم جيد لكيفية استخدام طرق EFPA لتقدير الخصائص البصرية للمواد.