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基于倏逝场的光声技术：表面光学特性评估

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DOI：

10.3791/54192

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2016年7月26日

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

本文内容

摘要

本文介绍了一种利用光声效应结合全内反射来估算材料和表面光学特性的实验方案。该技术基于渐逝场的光声方法可用于构建光声计量系统，以估算材料的厚度、体相及薄膜的折射率，并研究其光学特性。

摘要

本文介绍了一种利用光声效应结合全内反射来估算材料和表面光学特性的实验方案。对薄膜以及块体材料表面的光学特性进行评估，是理解新型光学材料体系及其应用的重要步骤。本方法可估算材料的厚度、折射率，并利用其吸收特性进行检测。该计量系统采用基于渐逝场的光声技术（EFPA），该技术领域建立在渐逝场与光声效应相互作用的基础之上。这种相互作用及其衍生的一系列技术，使得该方法能够探测样品表面数百纳米范围内的光学特性。这种光学近场效应使得材料特性（如折射率和薄膜厚度）可在与场尺度相当的范围内实现高精度估算。通过使用EFPA及其子技术，例如全内反射光声光谱（TIRPAS）和光学隧穿光声光谱（OTPAS），可在一台集成化仪器中实现纳米尺度的材料评估，而无需依赖多种仪器和可能成本高昂的实验手段。

引言

对光学材料的理解不断深入1,3,4,6,7,10,13-16，为开发用于多种光学器件的薄膜材料提供了新的见解，这些器件包括镜头上的减反射涂层、高消光比光学滤光片以及高吸收平板波导17。若无多种表征技术的应用，这些进展将难以实现，例如椭圆偏振测量法4,6,18、接触角测量、原子力显微镜7,11,19以及扫描/透射电子显微镜，这些技术通过提供光学材料基本性质的直接测量或间接估算，助力这些技术的迭代改进。这些性质（如折射率）决定了材料与入射光子的相互作用方式，直接影响其功能及在光学应用中的使用。然而，每种技术均存在与分辨率、样品制备、成本和复杂性相关的局限性，且仅能提供全面表征材料所需数据的一部分。有鉴于此，一组被称为基于渐逝场的光声技术（EFPA）5,6,15,18,20-49的新方法（如图1所示）有望在一组整合性实验中实现对纳米尺度材料性质的估算。EFPA 包括全内反射光声光谱法（TIRPAS）23,25,26,33-35,43-45、光声光谱/全内反射光声光谱折射法（PAS/TIRPAS refractometry）18以及光学隧穿光声光谱法（OTPAS）6等子技术，已被用于估算体相材料和薄膜的折射率、薄膜厚度，并可用于检测棱镜/样品或基底/样品界面处的吸光材料。

为了理解EFPA机制，必须首先了解光声光谱（PAS）的概念。该概念指的是：在吸收超短（< µsec）光脉冲后，发色团因快速的热弹性膨胀而产生超声压力波（图1）。本文所讨论的光声效应的理论与数学框架可参见文献50-59。所产生的压力变化可通过超声麦克风或换能器进行检测。光声效应最初于1880年随着亚历山大·格雷厄姆·贝尔发明的光电话而被发现，后因激光与麦克风技术的进步，在20世纪70年代初被“重新发现”，并最终被应用于一系列特定领域，包括生物医学成像、薄膜分析以及材料的无损检测1,53-57,59-82。该效应可用一维波动方程进行数学描述，其中波为一个简单的声源，其压力（p）随位置（x）和时间（t）变化：

波动方程 ∂²p/∂x² - (1/c²)∂²p/∂t²=0 示意图；静态平衡概念。

对于形式为64的简单声源，其解法如下

波动传播方程 p(x,t)=½ΓμₐH₀e⁻μₐ(x-ct)+½ΓμₐH₀e⁻μₐ(x+ct)，公式 2。

其中，p 为压力，Γ=αvs2/Cp ，α 为体积热膨胀系数，vs 为介质中的声速，Cp 为恒压热容，H0 为激光束的辐射曝光量，c 为激发介质中的声速，x 为长度，t 为时间。所产生的声波幅度直接依赖于材料的光学吸收系数 µa，该系数为光学穿透深度 δ 的倒数，而 δ 表示光在介质中传播至其初始光强衰减为 1/e 时所经过的距离。尽管公式（1）是一维平面波源的通用方程，典型的吸收体在三维空间中会发射球面声波。除了数学描述之外，光声效应的应用54 涵盖多种成像模式，如显微成像、断层成像，甚至分子成像，这得益于光声效应对天然存在的发色团血红蛋白具有较大的光学吸收，因而灵敏度较高。光声效应的其他应用还包括对各种薄膜特性的评估15,16,20,21,24,26-32,36-39,41,42,56,83,84。然而，光声光谱（PAS）也存在一定的局限性：（1）其较大的光学穿透深度使其无法探测表面附近的近场光学特性；（2）由于大部分声能以球面形式传播并远离探测器，导致探测器捕获发射声能的效率较低；（3）样品必须在所考虑的波长范围内含有发色团。

然而，当与基于隐逝场的技术结合时，这些限制中的许多可以得到改善。当一束光发生全内反射（TIR）时，就会产生隐逝场，这一现象由斯涅尔定律（Snell's Law）描述，该效应也使得光纤波导能够在计算和通信应用中引导光传播很长距离（千米级）。在实际应用中，隐逝场被用于多种表征和成像技术中，包括衰减全反射光谱法（ATR）。由于光被限制在感兴趣样品的最表层几百纳米范围内，因此可实现高对比度的成像。隐逝场表现为一种指数衰减的场，其延伸至外部介质中的光学穿透深度通常在所用光波长的数量级上（通常约为500 nm或更小），如公式3和公式4所示。

光吸收方程 I=I₀e⁻²/δp，用于说明光强衰减。

其中，I 表示在距离棱镜/样品界面 z 处的光强（%），I0 表示在界面处的初始光强（%），z 为距离（单位：纳米），δp 为光学穿透深度，如公式 4 所示。由于光学穿透深度极小，倏逝场能够与两种材料界面附近极近距离的环境发生相互作用，且作用范围远小于光学和声学衍射极限。处于该范围内的材料或颗粒的光学性质可能扰动倏逝场或以其他方式改变其产生，此类相互作用可通过多种方法检测3,5,6,10,15,17,18,21,23,25-27,29-47,84-95。

当衰逝波技术与光声效应（PAS）结合时，所产生的光声波形可用于表征与衰逝场相互作用的材料或颗粒，从而形成基于衰逝场的光声技术（EFPA）系列，如图1所示。该技术家族包括但不限于全内反射光声光谱（TIRPAS）、光学隧穿光声光谱（OTPAS）以及表面等离子体共振光声光谱（SPRPAS）。感兴趣的读者可参考以下文献以获取TIRPAS所用方程的推导过程5,6,18,23,25,26,33-35,43-47、PAS/TIRPAS折射率测量法18以及OTPAS的相关理论6。在每种情况下，光声效应的激发机制均不同于简单的棱镜透射；例如，在TIRPAS中，光通过棱镜/基底/样品界面以衰逝波耦合方式进入发色团（可能包括样品本身或样品中的客体分子）；而在SPRPAS中，主要激发方式则是通过吸收表面等离子体，该等离子体是一种次级电磁波，由衰逝场的能量传递至沉积在棱镜表面的金属层中的电子云而产生。这一系列技术最初由Hinoue et al. 于20世纪80年代初发明，并由T. Inagaki et al. 通过发明SPRPAS进一步改进，但由于当时光源和检测设备的技术限制，发展极为有限。近年来，已有研究表明，采用现代聚偏氟乙烯（PVDF）超声探测器和调Q掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG）激光器可显著提高此类技术的灵敏度和实用性。特别是纳秒脉冲Nd:YAG激光器可使峰值功率提高106倍，从而使EFPA技术成为评估多种材料和界面光学特性的有效工具5,6,15,18,21-29,31-47,84,96。此外，先前的研究还进一步证明，此类技术能够获取界面处材料的结构信息，而由于传统光声光谱（PAS）技术穿透深度相对较大，此前从未实现过此类测量53,55,57,59,61,62,69,73,75,80,81。

这一能力在后续基于OTPAS技术的实验方案中得以展示；然而，从更基本的层面来看，这三种技术各自依赖于一个不同的决定性方程，该方程决定了技术的性能。例如，在TIRPAS中，倏逝场的光学穿透深度δ'p主要决定了对吸收性样品产生的声学信号强度，其表达式如下：

薄膜干涉方程；δp=λ₁/(2π(sin²θ-n²)¹/₂)；光学厚度公式。

其中 λ1 是光在棱镜介质中传播的波长，由关系式 λ 定义1 = λ/n1 其中 n1 是棱镜材料的折射率。此外， θ 指激发角，以及 n21 指各介质折射率的比值，由 n 定义21 = n2/1，其中 n2 是样品材料的折射率。光学穿透深度越大，被照射的材料就越多。对于光声效应而言，光学穿透深度越大，被激发以产生声波的材料就越多，从而导致更强的声信号。

然而，与TIRPAS不同，PAS/TIRPAS折射率测量中的主方程是斯涅尔定律：

斯涅尔定律，\( n_1 \sin \theta_1 = n_2 \sin \theta_2 \)，折射方程示意图。

其中，n1 为棱镜的折射率，θ1 为光在棱镜/样品界面的入射角，n2 为样品的折射率，θ2 为光在第二介质中折射后的折射角。对材料折射率的估计灵敏度主要取决于对 θ1 估计的准确性。在全内反射条件下（即当 θ1 超过产生渐逝场的临界角时），sin θ2 = 1，因此，公式5可简化为 n2 = n1sinθ1。（注：θ1 = θcritical）。已知光电声信号的数值导数（dP/dθ，其中 P 为光电声信号的峰峰值电压，θ 为光入射到样品上的角度）出现局部最小值时对应的角度，即可估算出 θ1，从而求解 n2，进而估算样品的整体折射率，如 图1 所示。

最后，在 OTPAS 中，以下公式将透光率（%）与光声信号的峰峰值电压关联起来：

用于热力学过程分析的数学方程 T=p/(p0β)。

其中 T 是光学透射率的百分比， p 是由带有薄膜的基底的角谱所产生的峰峰值电压， p0 是由基底的角谱产生的峰峰值电压， β 是基于棱镜和浸油折射率的耦合常数， α 是衰减因子，是一个包含样品薄膜在渐逝场内厚度和折射率的因子。该技术对厚度和折射率的灵敏度取决于对声学信号峰峰值强度 p 和 p 估算的准确性0 在角谱中的每个入射角下。已有研究表明 β 可根据棱镜和浸油的折射率直接计算；因此，计算每个入射角下的光学透射率，并通过统计曲线拟合分析提取薄膜折射率和厚度的估计值，是一项简单直接的任务。感兴趣的读者可参考 Goldschmidt 等 如需更多信息。5,6

EFPA 系统是一种基于光声效应的系统，能够通过光吸收来估计薄膜厚度、薄膜折射率、体相折射率，并生成用于检测的声信号。该系统由一台激光器和一套光学传输装置组成，用于将光引导至棱镜/样品以及激光能量测量端。激光能量测量端用于将光声信号归一化为入射激光能量，如图2所示。EFPA 系统由步进电机驱动器驱动，以旋转棱镜/样品，实现 PAS/TIRPAS 折射率测量和 OTPAS 中的角度光谱测量。系统通过数字采集卡获取数据，并通过内部开发的程序提供用户界面和自动化的载物台控制。

方案

1. 系统设置

  1. 使用氰基丙烯酸酯环氧树脂将一个直径9 mm、厚度1 mm的红色乳胶橡胶圆柱体粘附到一个10 MHz超声换能器的前表面，并使用氰基丙烯酸酯环氧树脂将另一个相同尺寸的红色乳胶橡胶圆柱体粘附到一块6 mm厚的丙烯酸块上，然后以相同方式将该丙烯酸块用环氧树脂固定到参考超声换能器上，作为声学间隔层。
  2. 搭建光路系统：首先让激光照射至扩束镜，其次放置一个可手动调节的光阑，最后使用偏振分光立方体作为第三个光学元件，并将未置于EFPA棱镜支架中的超声换能器和置于EFPA棱镜支架中的换能器分别放置在非偏振分光镜的两个输出端口处。
    注意：使用偏振分光立方体是为了确保激发光具有纯净的单一偏振态，这对所有EFPA技术的正常功能至关重要。
  3. 利用透镜扩展来自Q开关Nd:YAG激光器的输出激光束，构建至少3倍扩束的光束扩束系统。
    注意：激光束的尺寸被有意设计得大于样品换能器上的乳胶橡胶吸收层，以确保即使在不同入射角下因棱镜折射导致激光光束发生偏移时，传感器仍能正常工作。
  4. 调整光路系统和EFPA棱镜支架，使靠近棱镜一侧的安装座平面通过数字水平仪校准至0°角。这将为实验过程中采集的角度谱数据提供正确的起始基准。
  5. 连接并启动外部设备，包括示波器、步进电机驱动器与计算机的连接、超声换能器以及XY位移台电机。通过50欧姆BNC电缆将未安装在EFPA棱镜支架中的换能器物理连接至Ch0通道，将安装在EFPA棱镜支架中的换能器物理连接至Ch1通道。软件已预先编程，可识别来自这两个特定通道的声学信号。

2. EFPA 系统初始化与光学校准

  1. 手动调节可调光圈，使光束被遮挡至直径1 mm。
  2. 启动编程软件（例如，LabVIEW），通过按下绿色按钮将角度设置为70° "移动" 按钮，将载物台移动至棱镜/样品界面实现70°激发所需的角度。
  3. 佩戴适当的激光防护眼镜（532 nm 波长下光密度 OD 7+），从与激光束垂直的一侧观察棱镜，通过手轮手动调节载物台的 X 和 Y 轴，直至 1 mm 激光光斑在橡胶乳胶上产生可见荧光。确保光束位于乳胶中心。
  4. 将手动可调光圈扩展至最大开孔，并观察程序运行时的前面板，确保来自EFPA棱镜支架的激光能量测量光声信号（红线）和来自激光能量测量侧面的光声信号（白线）均可见，且幅度大致相同。
  5. 通过按下按钮停止程序 "停止" 按钮。
    注意：如果未按下按钮，则必须手动重置棱镜后才能继续测试。初始化程序完成后，可进行TIRPAS、PAS/TIRPAS折光法或OTPAS检测。

3. TIRPAS 技术

  1. 如图3所示，将棱镜放置在塑料棱镜支架适配器中。接着，在棱镜中心滴加2.5 µl与所用棱镜类型匹配的浸油，然后将基底置于油层上方，形成夹心结构。
  2. 如图3所示，将25 µl样品置于EFPA传感器支架中连接至传感器的乳胶橡胶上，使其完全覆盖整个表面且不产生气泡。样品可以是任何光学吸收性材料，例如染料溶液、生物流体或悬浮于溶液中的分析物，无需对样品进行任何预处理。压紧棱镜支架，并使用安装螺丝以每颗螺丝16.75 g/mm的设定扭矩将支架拧紧。
  3. 选择"Setup"选项卡，然后在下拉菜单中选择"Setup"。
  4. 运行名为OTPAS thin film analyzer_USB-5133.vi的程序（补充文件）。
  5. 查看样品产生的声学信号，如图4所示。
    注意：可通过改变入射角来调节倏逝场的光学穿透深度，从而观察样品更薄或更厚的光学截面。

4. PAS/TIRPAS 折射率测定法

  1. 如图3所示，将棱镜放置在塑料棱镜支架适配器中。接着，在棱镜中心滴加2.5 µl与所用棱镜类型匹配的浸油，然后将基底置于油层上方，形成夹心结构。
  2. 如图3所示，将25 µl样品滴加到EFPA换能器支架中连接至换能器的橡胶部件上。压紧棱镜支架，并使用安装螺丝将其固定，每个螺丝的拧紧扭矩设定为16.75 g/mm。
  3. 选择"角谱"选项卡，并在下拉菜单中选择"角谱"。然后，按照表1所示，将相应的参数输入程序中。
  4. 运行程序，并等待角谱扫描完成且程序结束。
  5. 右键单击角谱图，选择"导出 → 导出数据至Excel"，以保存数据并打开.csv文件。
    1. 在绘图软件（例如，KaleidaGraph）中打开该数据，点击"宏"并选择"导数"功能，对该数据进行数值微分。输入需要进行微分运算的相应数据列，点击"确定"，程序将计算出数值导数。
    2. 绘制数值导数相对于角度的曲线图，并选择"曲线拟合"。选择"平滑"选项5,18,98，并在"曲线拟合选择"下勾选对应的数据，以对数据中的噪声进行平滑拟合。点击"视图"下方的下拉箭头，选择"将曲线拟合复制到数据窗口"，将拟合后的曲线数据提取至另一列。
  6. 手动检查拟合曲线，寻找局部最小值及其对应的角度，该角度标志着从PAS到TIRPAS模式的转变。该最小值即为测得的临界角，如图5所示。利用公式 nsample = nprismsinθc，计算在激光探测波长下未知样品的体相折射率。典型结果如表1所示。

5. OTPAS

  1. 在棱镜中心放置 2.5 µl 浸油（折射率需与所用玻璃类型匹配）。
  2. 将待测薄膜或基板的膜面朝上（远离棱镜）放置，并确保放置过程中无气泡产生。
    注意：若产生气泡，请移除样品膜或基底，并重新尝试涂覆。
  3. 在乳胶橡胶上放置25 µl浸油，使浸油覆盖整个表面且无气泡产生。
  4. 如图所示压缩基底/薄膜层 图3. 将安装螺丝拧紧至设定扭矩 16.75 g/mm，每个螺丝的扭矩必须相同。
    注意：本方案中使用的扭矩扳手单位为盎司·英寸（oz.-in.），因此 16.75 g/mm 约等于 15 oz.-in。
  5. 选择 "角谱" 标签并选择 "角谱" 在下拉菜单中。接下来，按照图示将相应的参数输入程序中 表3.
  6. 运行程序，等待直至角谱扫描完成且程序结束。
  7. 重新运行测试，按照步骤 5.1–5.6 操作，使用之前未测试的底物或薄膜，如图所示。 图6.
  8. 在下拉框中选择“Curve Fitting”，然后点击“Curve fitting”选项卡。接下来，输入如图所示的适当参数 表5在“样品”下选择薄膜扫描。在“基底”下选择基底扫描。
  9. 输入在步骤 5.1–5.6 中已执行的扫描所对应的折射率、偏振及其他选项，如图所示 表4.
  10. 选择程序运行 "曲线拟合" 在下拉框中并选择 "曲线拟合" 观察折射率和厚度 "薄膜折射率" 和 "薄膜厚度" 位于程序图形用户界面右上角。典型数据如图所示。 图7.
  11. 使用 "批量拟合" 选择同时拟合多个扫描数据的选项，输入要批量拟合的扫描数量，选择用于输出数据的 .csv 文件，然后重复步骤 5.10。
    注意：程序运行后，将拟合每组数据，并将所有折射率、厚度和残差值输出至 .csv 文件。为确保程序正常运行，扫描文件必须按数字顺序命名，例如 scan_001.csv、scan_002.csv。 等等。

结果

已展示EFPA平台内各子技术TIRPAS、PAS/TIRPAS折射率测量以及OTPAS的实验结果。图4显示了由吸收性样品产生的典型TIRPAS声波信号。声波的双极性特征是TIRPAS技术的典型表现，表明TIRPAS效应正在发生。这种双极波形是由于样品与玻璃基底界面处存在较大的声阻抗差异，导致声波在界面处发生反射所致。对于PAS/TIRPAS折射率测量，获得了图5和表1。图5展示了对样品进行测试时获得的角度谱及其数值微分结果，用于估算体相折射率。表1列出了使用PAS/TIRPAS折射率测量法估算水/聚乙二醇/直接红染料混合物的体相折射率结果，并与使用标准手持式折射计测得的体相折射率估算值进行了比较。最后，图7和表2展示了OTPAS的实验结果。图7包含在OTPAS测量过程中获取的两次角度扫描图谱。表2对OTPAS与光谱椭偏仪在相同薄膜样品上的测量结果进行了比较。

渐逝场光声效应示意图，TIRPAS 装置，超声，光学分析。
图 1. 渐逝场光声效应（EFPA）的子技术。 目前，EFPA 包含三种不同的子技术，分别为 TIRPAS、PAS/TIRPAS 折射率测量法和 OTPAS。每种技术均可用于评估材料，以推导或确定不同的材料特性。TIRPAS 基于材料的光吸收特性进行检测，用于生物传感；PAS/TIRPAS 折射率测量法用于评估体相折射率；OTPAS 则用于评估薄膜的折射率和厚度。在 TIRPAS 中，入射角超过临界角 θc 的光会产生渐逝场，当其与光学吸收体相互作用时可产生声波。在 PAS/TIRPAS 折射率测量法中，通过渐逝场光声激发和传统的光声激发，分别获取 TIRPAS 和 PAS 的波形信号。将这两种模式绘制在角度谱图上，可观察到过渡角，进而用于推导折射率。最后，在 OTPAS 中，对基底上的薄膜样品和裸基底分别在入射角超过临界角 θc 的激光照射下获取一系列声学信号。通过对数据应用非线性曲线拟合算法，可推导出薄膜的厚度和折射率。 请点击此处查看该图的放大版本。

渐逝场光声学装置示意图和光路图；激光器、分束器、数据采集过程。
图 2. EFPA 示意图/实物照片。 左图：搭建 EFPA 装置时，需将激光束扩束，使其完全覆盖乳胶橡胶所覆盖的传感区域。激光束初始入射角度应为 45 度，如图所示。右图：装置实物照片，显示光学传输路径。请点击此处查看该图的放大版本。

用于使用浸油进行光学实验的超声换能器示意图，带有棱镜和EFPA安装装置。
图3. 样品装载。 通过浸油使棱镜与基底形成光学接触，从而加载样品。在TIRPAS或PAS/TIRPAS折射率测定中，样品直接与基底上的液体接触以进行测试。在OTPA中，基底与红色乳胶橡胶之间额外添加的浸油实现了光学耦合，从而允许发生光隧穿效应。然后使用扭矩扳手和安装螺钉将装置夹紧固定。 请点击此处查看该图的放大版本。

TIRPAS 信号图；峰值电压与时间关系；瞬态吸收光谱结果。
图 4. TIRPAS 典型数据。 TIRPAS 波形通常呈现出双极性声学信号特征，这是 TIRPAS 方法的典型表现。请点击此处查看该图的放大版本。

直接红81染料实验图谱；峰值电压随角度变化及导数平滑分析。
图 5. PAS/TIRPAS 典型数据。 左图：通过在不同入射角下照射样品获得的角度光谱数据。右图：左图的数值导数，显示出一个局部极小值，表明从 PAS 到 TIRPAS 机制的转变，该转变对应于临界角的位置。经许可重印。18 请点击此处查看该图的放大版本。

光学分析流程图：棱镜装置、参数选择、电压采集、曲线拟合、结果。
图6. 程序流程图。该程序通过若干迭代步骤运行。首先将棱镜支架调至零度，然后选择参数，再启动程序。接着运行程序以获取基底和薄膜的角谱数据。最后，通过数据拟合曲线，估算薄膜的折射率和厚度。经许可转载。6 请点击此处查看此图的放大版本。

显示在 MgF2 和 NBK-7 基底上激光能量与光隧穿率关系的 OTPAS 角度谱图。
图 7. OTPAS 典型数据。 左图：该图分别显示了 MgF2 薄膜和 N-BK7 基底的角度谱扫描结果。右图：通过将 MgF2 薄膜的角度谱扫描数据除以 N-BK7 基底的扫描数据，并乘以一个常数因子 β，可得到光隧穿率（%）随入射角的变化关系，从而可用于估算薄膜的折射率和厚度。请点击此处查看该图的放大版本。

PAS/TIRPAS样品 1样品 2样品 3样品 4样品 5Atago R-5000
直接红/PEG
125 µg/ml		1.3951.3951.3951.3951.3951.395-1.397
直接红/PEG
250 µg/ml		1.391.391.391.391.391.390-1.396
直接红/PEG
500 µg/ml		1.3881.3891.3891.3891.3891.381-1.395
直接红/PEG
750 µg/ml		1.3821.3821.3871.3871.3871.372-1.395
肌红蛋白
460 µg/ml		1.331.3291.3311.331.3311.335

表1. PAS/TIRPAS 结果。 下表显示了加入50%聚乙二醇以提高折射率时，直接红染料的典型结果。经许可转载。18

测试类型技术方法薄膜类型折射率厚度 (nm)
组内测试OTPASMgF2 200 nm1.384±0.004203±6
组内测试椭圆偏振法MgF2 200 nm1.393±0.001192.4±1.1
组间测试OTPASMgF2 200 nm1.395±0.011220±19
组间测试椭圆偏振法MgF2 200 nm1.392±0.002195.2±1.8

表2. OTPAS结果。 下表展示了200 nm氟化镁（MgF2）薄膜在OTPAS与光谱椭偏仪测量中的典型结果。组内差异指对同一薄膜重复测量十次，组间差异指对十个独立薄膜分别进行测量。经许可转载。6

平均次数1起始角度60预热时间（分钟）0折射率（棱镜）1.519
扫描次数1步长0.1保存至“yourfilename”.csv微步数10
设置Q开关275终止角度80激光器选择Surelite转速（rpm）500
误差容限（%）5激光器启动开启低通滤波器（程序）1.00 x 107加速度（RPS）200

表3. PAS/TIRPAS折射率测量中的角谱设置。 下表列出了PAS/TIRPAS折射率测量中获取角谱所需的各项参数设置。

平均次数64起始角度70预热时间（分钟）1折射率（棱镜）1.519
扫描次数1步长0.1保存至“yourfilename”.csv微步数10
设置Q开关275终止角度72激光器选择Surelite转速（rpm）500
误差容限（%）5激光器启动开启低通滤波器（程序）1.00 x 107加速度（RPS）200

表4. OTPAS的角谱设置。 下表列出了OTPAS中实现角谱测量所需的各项参数设置。

较低折射率1容差1.00 x 10-12耦合器折射率1.519基底数据选择您的文件名.csv
较低厚度0 nm折射率初始估计值1.3波长532 nm多个文件保存至选择您的文件名.csv
较高厚度1,000 nm厚度初始估计值200 nm偏振态P 偏振文件数量您想要拟合的文件数量
最大迭代次数5,000基底折射率1.519薄膜数据选择您的文件名.csv拟合类型单次拟合/批量拟合

表5. 曲线拟合参数。 下表列出了正确参数估计所需的曲线拟合参数。

补充代码文件： OTPAS thin film analyzer_USB-5133.vi。 请点击此处下载该文件。

讨论

为了开发新材料及材料组合以解决复杂且昂贵的社会问题，未来无疑将继续广泛使用纳米尺度材料表征设备。目前，尽管存在固有局限性且替代方法有限，人们仍普遍采用椭圆偏振法、原子力显微镜（AFM）和传统光声技术等方法对纳米尺度的材料特性进行评估。电场调制光声技术（EFPA）展现出良好的前景，它是一套整合性的技术体系，有望突破传统光声效应的常规限制，提供一种可用于纳米尺度材料表征的单一仪器解决方案。

本文所述的实验方案及其相关子技术能够估算材料的体相和薄膜折射率、薄膜厚度，并具备多种生物传感应用的检测能力。OTPAS 技术的特定优势在于，即使薄膜本身不含有内在吸收性色素，仍可估算纳米尺度薄膜的厚度和折射率。EFPA 作为一套整合技术，相较于椭圆偏振测量法、原子力显微镜以及传统光声效应等方法，具有若干优势。首先，EFPA 的搭建成本相对较低。一个典型的 EFPA 装置可同时估算体相和表面的折射率、估算厚度，并可用于探测吸收性材料，其搭建成本约为 5,000 美元。相比之下，原子力显微镜（AFM）装置的成本约为 50,000 美元，且无法估算光学性质。其次，EFPA 可在数分钟内完成这些性质的测定，无需如椭圆偏振法中那样进行复杂的参数输入，避免了因输入参数误差导致结果偏差的问题。最后，与传统光声效应相比，EFPA 的轴向分辨率高出 100 倍，能够估算厚度低至 200 nm 的薄膜6，而使用相似激光器和装置时，传统光声效应的分辨率仅限于 7,500 纳米82。方便的是，几乎所有材料都具有独立且不同的表面与体相折射率特性以及吸收特性，这些特性共同决定了它们在光学研究系统中应用的功能差异。

该方案中的关键步骤可归结为三个主要考虑因素。首先，样品（无论是液体还是薄膜）的光学耦合对于获得可靠且可重复的结果至关重要。浸油或样品中的气泡会导致对厚度和折射率的表征不准确，而在某些情况下，由于超声波难以有效穿过液体/空气界面（两者声阻抗差异极大），传感器对被激发样品完全失去灵敏度。其次，针对OTPAS技术，激光束照射区域内的样品应具有均匀的厚度，以确保扫描过程中厚度值的一致性，因为目前EFPA尚无法分辨激发区域内样品的厚度差异。最后，同样针对OTPAS技术，样品薄膜必须对所用波长的光透明。这是描述OTPAS如何测定厚度和折射率的数学方程中的一个基本假设。如果薄膜对光的吸收较强，导致入射光中有超过1%被吸收，则测得的表征结果将无法真实反映薄膜的实际厚度和折射率。

对EFPA技术进行改进相对容易，也可替换其他类型的组件以实现更有效的扫描或增强功能。然而，在构建EFPA系统时，必须解决以下主要问题：首先，必须具备一种能够自动旋转棱镜支架并在微小角度（0.05度）增量下采集声学信号的方法；其次，需要具备纳秒级或更短脉冲宽度的激光系统，以利用光声效应激发样品；第三，需要配备图形用户界面或程序，用于采集数据并进行数学曲线拟合及数值微分，从而估算厚度以及体相材料/薄膜的折射率。

EFPA 存在三个基本局限性。第一，为了利用全内反射相位检测技术（TIRPAS）测定体相折射率、薄膜折射率、厚度或检测材料，样品的折射率必须低于与其接触的棱镜或基底的折射率，以便发生全内反射，而全内反射是这三种技术的基础。第二，目前 EFPA 需要与样品直接接触，才能估算其厚度、折射率以及检测相关性质。第三，EFPA 的一种子技术 OTPAS 目前要求材料具有光学透明性，才能对目标薄膜的厚度和折射率进行估算。

这种集成化仪器可在多种表征环境中找到广泛应用，包括科研核心设施和工业环境。关于EFPA技术的后续研究工作将集中于通过改进仪器设备以及平移/旋转平台来提高折射率测量的准确性。进一步的发展将致力于提升信噪比，以检测更微量的吸光物质，从而实现对弱吸收材料的表征，这类材料在生物系统中最为常见。

披露

作者声明不存在任何竞争性经济利益。

致谢

本项目由美国国家科学基金会BRIGE奖（1221019）资助。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
100 mm 平凸透镜ThorlabsLA1509用于光束扩束器的平凸透镜
-30 mm 平凹透镜ThorlabsLC2679用于光束扩束器的平凹透镜
10 MHz 超声换能器HarisonicI31006T用于光声检测的超声传感器，既可用于激光能量测量，也可用于 OTPAS 装置
浸油 A 型Cargille16482折射率 1.519，与 NBK-7 基底材料匹配
天然乳胶橡胶片（红色）McMastercarr86085K11折射率约 1.519，与 A 型浸油液体匹配，作为光吸收体用于测量光隧穿效应和激光能量
激光防护眼镜VERE53用于保护眼睛免受激光照射
笼式安装非偏振分光立方体ThorlabsCM1-BS013将激光分为两束，其中一束用于测量，另一束用于激发
笼式安装偏振分光立方体ThorlabsCM1-PBS251确保用于光隧穿实验的光束具有偏振性
带刻度环控可调光阑ThorlabsSM1D12C将光束截面缩小以便对准
数据采集卡National InstrumentsUSB-5133USB 接口示波器，用于数据采集
步进电机驱动器National InstrumentsMID-7604驱动步进电机以实现角度光谱测量
Sherline XY 位移台（14”）Sherline5600-CNC/5610-CNCSherline XY 位移台
四爪自定心卡盘Sherline1076/1034Sherline 旋转附件
直角连接装置Sherline3701用于连接旋转支架的直角附件
CNC 旋转台Sherline8730用于固定 OTPAS 棱镜/样品的旋转台
Surelite I-20 激光系统ContinuumI-20用于激发样品的调 Q Nd:YAG 激光器
NBK-7 棱镜ThorlabsPS911用于 EFPA 的直角棱镜
可调扭矩扳手TohnichiRTD40Z可调扭矩扳手，用于在每种技术中将 EFPA 装置均匀拧紧至 16.75 g/mm
数字水平仪Micromark84519数字水平仪，用于确保 EFPA 棱镜支架起始角度为 0 度

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