Evanescent terrain Photoacoustique base: évaluation de la propriété optique au niveau des surfaces

L'objectif général de cet ensemble de techniques photoacoustiques est de caractériser les propriétés optiques de liquides, de solides et de films minces transparents à l’aide d’un dispositif unique. Cette méthode peut aider à répondre à des questions essentielles dans le domaine de la caractérisation des matériaux, telles que l’épaisseur estimée et l’indice de réfraction. Le principal avantage de cette technique réside dans la possibilité de mesurer, à l’aide d’un seul dispositif, l’indice de réfraction en volume, l’indice de réfraction des films minces, l’épaisseur et l’absorption optique.

Un certain équipement doit être préparé pour commencer l'expérience. Tout d'abord, l'expérience nécessite deux transducteurs ultrasonores, comme ces modèles de 10 mégahertz utilisés pour ce protocole. Chaque transducteur possède un cylindre en caoutchouc latex rouge de neuf millimètres de diamètre et d'un millimètre d'épaisseur, fixé par collage époxy sur sa face avant.

Le transducteur de référence est également fixé par une colle époxy à un bloc d'acrylique, qui sert d'espaceur acoustique. Un autre équipement à préparer est le support de prisme pour la photoacoustique à champ évanescent, ou EFPA. Le support de prisme EFPA se compose d'un support de prisme et d'un support de transducteur.

Un prisme est placé dans le support de prisme. Le support de transducteur maintient l'un des transducteurs ultrasonores préparés de manière à exposer le latex. Une fois le prisme et le transducteur en place, assembler les deux parties du support de prisme, de sorte que le latex soit orienté vers le prisme en laissant un espace pouvant accueillir un échantillon.

Fixez les pièces ensemble à l'aide de vis. Le reste de l'appareil nécessaire à cette expérience est déjà en place sur un banc optique. Le faisceau est produit par un laser au néodyme, au deutérium, à l'aluminium et au grenat, commandé par un interrupteur à impulsion.

Sa sortie va vers un élargisseur de faisceau. Suit une ouverture réglable manuellement. L'élément suivant est un cube diviseur de faisceau polarisant.

Le faisceau pénètre ensuite dans un séparateur de faisceau non polarisant. Une sortie est dirigée vers un transducteur ultrasonore monté, qui servira de référence. L'autre sortie du séparateur de faisceau est dirigée vers le support de prisme EFPA monté et son transducteur.

Le faisceau sortant du support de prisme pénètre dans un bloqueur de faisceau. Le support de prisme EFPA est monté sur une platine de translation XY et theta afin de permettre son positionnement adéquat. Son angle peut être modifié par un moteur pas à pas commandé par ordinateur.

Pour vous préparer à l'expérience, revenez au laser et à l'expandeur de faisceau. Utilisez des lentilles pour obtenir une expansion du faisceau d'au moins un facteur trois. Le faisceau doit être plus large que l'absorbeur en latex sur les transducteurs.

Après avoir travaillé avec l'expander, utilisez un niveau numérique pour aligner le faisceau et le support du prisme. Le côté plat du support de prisme doit être à zéro degré par rapport au faisceau. Connectez et mettez sous tension les transducteurs, les oscilloscopes et les écrans contrôlés par ordinateur.

Utilisez des câbles BNC de 50 ohms pour connecter le transducteur de référence au canal zéro de l'oscilloscope. Connectez le transducteur dans le montage prismatique EFPA au canal un. Pour les étapes d'alignement, assurez-vous de porter les lunettes de protection adéquates contre les rayonnements laser.

Au niveau de l'ouverture réglable, réduisez le faisceau à un diamètre d'un millimètre. Sur l'ordinateur, lancez le logiciel qui permettra de contrôler l'exécution des expériences. Utilisez le logiciel pour faire tourner le support du prisme à 70 degrés.

Regardez dans le prisme perpendiculairement au faisceau laser depuis le côté, et observez si le point laser est visible sur le latex. Ajustez manuellement le plateau de translation XY-thêta jusqu'à ce que le point laser soit correctement positionné sur le transducteur. L'objectif est que le point se trouve au centre du latex.

Revenez à l'ouverture et élargissez-la à son ouverture maximale. Sur l'ordinateur, examinez les mesures d'énergie provenant des capteurs. Dans ce cas, la ligne rouge provient de la mesure directe de l'énergie laser, la référence.

La ligne bleue provient du transducteur dans le support de prisme EFPA. Vérifiez que les deux mesures ont approximativement la même amplitude. Lorsque tout est en ordre, arrêtez la mesure, ce qui réinitialisera automatiquement le prisme à zéro degré avant de poursuivre.

La technique de spectroscopie photoacoustique par réflexion totale interne sera utilisée pour analyser l'échantillon liquide. L'échantillon est constitué du colorant rouge direct 81 dans l'eau. En outre, la technique nécessite de l'huile d'immersion dont l'indice est adapté au prisme, ainsi qu'une lame de microscope servant de substrat pour recouvrir la surface du prisme.

Sortez le porte-prisme EFPA du dispositif et ouvrez-le afin de placer l'échantillon en position. Commencez par un prisme, puis déposez 2,5 µL d'huile à immersion en son centre. Ensuite, placez le substrat par-dessus la couche d'huile étalée.

Ensuite, passez à l'utilisation du latex sur le transducteur ultrasonore EFPA. Placez alors 25 microlitres de l'échantillon liquide sans produire de bulles. Réassemblez maintenant le support EFPA en plaçant la combinaison substrat en huile de prisme au-dessus du latex recouvert d'échantillon.

Comprimez le support de prisme et serrez l'ensemble avec les vis de fixation. Lorsque le support EFPA est prêt, replacez-le dans le dispositif expérimental. Réinsérez le support EFPA à sa position parmi les éléments optiques.

Veillez à ce que tous les composants soient prêts avant d'initialiser la collecte de données. Utilisez un logiciel de laboratoire pour mesurer et afficher le signal acoustique généré par l'échantillon. Les données montrent la tension crête à crête en fonction du temps.

Pour préparer la réfractométrie POSS TUR POSS, utilisez à nouveau le support de prisme EFPA du dispositif. Séparez le support pour exposer le prisme et le latex du transducteur. Préparez l'échantillon, l'huile d'immersion dont l'indice de réfraction est adapté au prisme, ainsi qu'un substrat destiné à recouvrir la surface du prisme.

Placer 2,5 microlitres d'huile à immersion au centre du prisme. Encapsuler l'huile en plaçant un substrat par-dessus la couche d'huile. Passer au transducteur dans son support et déposer 25 microlitres de colorant échantillon sur son tampon en latex.

Une fois cette étape terminée, placez le support du prisme avec son huile et son substrat sur le latex ou le transducteur. Compressez les deux supports ensemble et fixez-les à l’aide de vis de montage. Une fois le porte-prisme EFPA en place dans le dispositif, passez au logiciel contrôlé par ordinateur.

Saisissez la plage d'angles d'incidence sur laquelle le spectre doit être mesuré ainsi que la valeur du pas. Exécutez le programme pour mesurer le spectre et le représenter sous forme de tension crête à crête en fonction de l'angle. À partir du spectre mesuré, utilisez un logiciel pour calculer et tracer la dérivée numérique par rapport à l'angle.

Utilisez les données lissées de la dérivée numérique pour identifier manuellement les minima locaux et leurs angles d'incidence correspondants. Les minima indiquent une transition des régimes POSS à TUR POSS. Travaillez avec le porte-prisme EFPA pour le préparer à la spectroscopie photoacoustique par effet tunnel optique.

Préparez les supports du prisme et du transducteur séparément, avec de l'huile d'immersion adaptée en indice au prisme. L'échantillon est un film mince de fluorure de magnésium déposé sur une lame de verre. Au centre du prisme, déposez 2,5 microlitres d'huile d'immersion.

Une fois l'huile en place, orienter l'échantillon de manière à ce que le film mince soit éloigné du prisme, puis poser l'échantillon sur l'huile. Sur le support du transducteur, déposer 25 microlitres d'huile d'immersion sur le tampon en latex afin qu'elle recouvre toute la surface sans former de bulles. Mettre le latex en contact avec l'échantillon, puis serrer les vis de fixation pour comprimer l'ensemble.

Replacer le support EFPA dans le dispositif optique et préparer l’exécution de l’expérience. Sur l’ordinateur, saisir les paramètres pour l’acquisition d’un spectre angulaire et démarrer la mesure. Ces données provenant de la spectroscopie photoacoustique par réflexion totale interne sont représentatives de l’onde acoustique générée par un échantillon absorbant.

Dans ce cas, colorant rouge 81 dans l'eau. La nature bipolaire de l'onde provient d'une réflexion acoustique à l'interface entre l'échantillon et le substrat en verre, où existe une grande différence d'impédance acoustique. La technique POSS TUR POSS génère un spectre angulaire.

Lorsque la dérivée numérique est lissée, le minimum local correspond à l'angle critique mesuré. Connaissant cet angle, il est possible de calculer l'indice de réfraction volumique à la longueur d'onde du laser utilisée dans l'expérience. Il s'agit du spectre angulaire du signal normalisé de l'énergie laser pour un film de magnésium déposé sur un substrat en verre optique NBK-7.

Le pourcentage de tunneling optique en fonction de l'angle d'incidence peut être déterminé à partir de ces valeurs. Ces informations permettent d'estimer l'indice de réfraction et l'épaisseur. Lors de la mise en œuvre de cette procédure, il est important de veiller à éviter la formation de bulles dans l'huile ou l'échantillon.

Après avoir visionné cette vidéo, vous devriez maintenant bien comprendre comment utiliser les méthodes EFPA pour estimer les propriétés optiques des matériaux.