חלוף שדה בהתבסס Photoacoustics: הערכת נכס אופטית על משטחים

המטרה הכוללת של סט טכניקות פוטו-אקוסטיות אלו היא לאפיין את התכונות האופטיות של נוזלים, מוצקים ושכבות דקות שקופות במכשיר מאוחד אחד. שיטה זו יכולה לסייע במתן מענה לשאלות מפתח בתחום אפיון החומרים, כגון עובי מוערך ומקדם שבירה. היתרון העיקרי של טכניקה זו הוא שניתן למדוד מקדם שבירה של חומר בתפזורת (bulk), מקדם שבירה של שכבה דקה, עובי ובליעה אופטית במכשיר בודד.

יש להכין מספר פריטי ציוד לפני תחילת הניסוי. ראשית, הניסוי דורש שני מתמירים אולטרסוניים, כדגמי ה-10 megahertz המשמשים בפרוטוקול זה. לכל אחד מהם גליל גומי לטקס אדום בקוטר תשעה מילימטרים ובעובי מילימטר אחד, המודבק באמצעות אפוקסי לפניו הקדמיים.

המתמר הייחוס מודבק גם הוא באמצעות אפוקסי לבלוק אקרילי, המשמש כמרווח אקוסטי. ציוד נוסף שיש להכין הוא מחזיק המנסרה לפוטואקוסטיקה מבוססת שדה נעלם, או EFPA prism holder. מחזיק המנסרה של ה-EFPA מורכב מתושבת למנסרה ומתושבת למתמר.

מנסרה מוצבת בתושבת המנסרה. תושבת המתמר מחזיקה את אחד המתמרים האולטרסוניים שהוכנו כך שהלטקס חשוף. כאשר המנסרה והמתמר במקומם, חברו את שני חלקי מחזיק המנסרה, כך שהלטקס פונה אל המנסרה מעבר למרווח שבו תוכנס הדגימה.

חברו את החלקים זה לזה באמצעות ברגים. שאר המכשור עבור ניסוי זה כבר מוצב על שולחן אופטי. הקרן מופקת על ידי לייזר neodymium dome deuterium aluminum garnet עם מתג cue.

הפלט שלו נכנס למרחיב אלומה. לאחר מכן מופיעה צמצם שניתן לכיוון ידני. האלמנט הבא הוא קוביית מפליג אלומה מקטבת.

הקרן נכנסת לאחר מכן למפחלק קרניים לא מקטב. פלט אחד מופנה למתמר אולטרסוני מותקן שישמש כייחוס. הפלט השני ממפחלק הקרניים מופנה למחזיק מprism EFPA המותקן ולמתמר שלו.

הקרן היוצאת מתושבת המנסרה נכנסת לחסם קרן. תושבת המנסרה של ה-EFPA מורכבת על במה להזזה במישורי XY ותטא כדי לאפשר מיקום מדויק שלה. ניתן לשנות את זוויתה באמצעות מנוע פסיעות (stepper motor) הנשלט על ידי מחשב.

כדי להתכונן לניסוי, חזרו ללייזר ולמרחיב האלומה. השתמשו בעדשות כדי ליצור הרחבת אלומה של פי שלושה לפחות. האלומה צריכה להיות גדולה יותר מהבולם הלטקס שעל המתמרים.

לאחר העבודה עם המרחיב, השתמש בפלס דיגיטלי כדי ליישר את הקרן ואת מחזיק הפריזמה. הצד השטוח של תושבת הפריזמה צריך להיות על אפס מעלות ביחס לקרן. חבר והפעל את המתמרים, האוסצילוסקופים והמסכים הנשלטים במחשב.

השתמש בכבלי BNC של 50 ohm כדי לחבר את המתמר של הייחוס לערוץ אפס של האוסצילוסקופ. חבר את המתמר שנמצא בתושבת המנסרה של ה-EFPA לערוץ אחד. עבור שלבי הכיול, הקפד להרכיב את משקפי המגן המתאימים להגנה מפני לייזר.

בפתח הצמצם הניתן לכיוון, צמצמו את קרן האור לקוטר של 1 mm. במחשב, הפעילו את התוכנה שתשלוט בביצוע הניסויים. השתמשו בתוכנה כדי לסובב את תושבת המנסרה לזווית של 70 מעלות.

הביטו במנסרה מהצד, בניצב לקרן הלייזר, ובחנו האם נקודת הלייזר נראית על הלטקס. כווננו ידנית את במת ההזזה של XY theta עד שנקודת הלייזר תמוקם נכון על המתמר. המטרה היא שהנקודה תהיה במרכז הלטקס.

חזרו לפתח, והרחיבו אותו לפתיחה המקסימלית שלו. במחשב, סקרו את מדידות האנרגיה מהמתמירים. במקרה זה, הקו האדום מייצג את מדידת אנרגיית הלייזר הישירה, המשמשת כרפרנס.

הקו הכחול מגיע מהמתמר במחזיק המנסרה של ה-EFPA. יש לוודא ששתי המדידות הן בערך באותה סדרי גודל. כאשר הכל תקין, הפסק את המדידה, פעולה שתאפס אוטומטית את המנסרה לאפס מעלות לפני ההמשך.

טכניקת ספקטרוסקופיה פוטו-אקוסטית של החזרה פנימית מלאה תשמש לניתוח דגימת הנוזל. הדגימה היא צבע אדום ישיר 81 (direct red dye 81) במים. בנוסף, הטכניקה דורשת שמן טבילה בעל מקדם שבירה תואם למסבב (prism), וכן זכוכית כיסוי של מיקרוסקופ כתשתית לכיסוי פני השטח של המסבב.

הוציאו את מחזיק המנסרה של ה-EFPA מהמערכת ופתחו אותו כדי להניח את הדגימה במקומה. התחילו עם מנסרה, והניחו 2.5 µL של שמן טבילה במרכזה. לאחר מכן, הניחו את התשתית מעל שכבת השמן שנמרחה.

בשלב הבא, עברו לעבודה עם הלטקס על המתמר האולטרסוני של ה-EFPA. שם, הניחו 25 µL מהדגימה הנוזלית ללא יצירת בועות. כעת, הרכיבו מחדש את תומך ה-EFPA על ידי הנחת שילוב המצע של שמן הפריזמה מעל הלטקס המכוסה בדגימה.

הדק את מחזיק הפריזמה, והדק את המכלול באמצעות ברגי קיבוע. כאשר מחזיק ה-EFPA מוכן, החזר אותו להגדרת הניסוי. החזר את מחזיק ה-EFPA למיקומו בין האלמנטים האופטיים.

יש לוודא שכל הרכיבים מוכנים לפני תחילת איסוף הנתונים. השתמש בתוכנת מעבדה כדי למדוד ולהציג את האות האקוסטי הנוצר על ידי הדגימה. הנתונים מציגים את המתח משיא לשיא כפונקציה של הזמן.

כדי להתכונן לבדיקת רפראקטומטריה בשיטת POSS TUR POSS, השתמש שוב במחזיק המתימה של EFPA מההגדרה. הפרד את המחזיק כדי לחשוף את המתימה ואת הלטקס מהמתמר. הכן את הדגימה, שמן טבילה בעל מקדם שבירה תואם למתימה, ותשתית לכיסוי פני השטח של המתימה.

הנח 2.5 µL של שמן טבילה במרכז הפריזמה. צור שכבה על ידי הנחת מצע מעל שכבת השמן. עבור למתמר במעמדו והנח 25 µL של צבע דגימה על פד הלטקס שלו.

לאחר השלמת שלב זה, הניחו את תושבת המנסרה יחד עם השמן והמצע על הלטקס או על המתמר. דחסו את שתי התושבות זו לזו והדקו אותן באמצעות ברגי קיבוע. כאשר מחזיק המנסרה של ה-EFPA מותקן במערכת, עברו לתוכנה הנשלטת במחשב.

הזינו את טווח זוויות הפגיעה שעל פיהן יש למדוד את הספקטרום ואת גודל הצעד. הפעילו את התוכנית למדידת הספקטרום ושרטטו אותו כמתח שיא-לשיא כפונקציה של הזווית. החל מהספקטרום שנמדד, השתמשו בתוכנה כדי למצוא ולשרטט את הנגזרת המספרית ביחס לזווית.

השתמשו בנתונים מחליקים מהנגזרת המספרית כדי לזהות ידנית מינימומים מקומיים ואת זוויות הפגיעה המתאימות להם. המינימומים מעידים על מעבר בין משטרי POSS ל-TUR POSS. הכינו את מחזיק המנסרה EFPA לצורך ספקטרוסקופיה פוטו-אקוסטית של מנהור אופטי.

הכינו את תושבות המנסרה והמתמר כשהן מופרדות, וודאו ששמן הטבילה תואם למקדם השבירה של המנסרה שבידיכם. הדגימה היא שכבה דקה של מגנזיום פלוריד השבויה על עלית זכוכית. במרכז המנסרה, הניחו 2.5 µL של שמן טבילה.

לאחר שהשמן במקומו, כוון את הדגימה כך שהשכבה הדקה תהיה רחוקה מהמנסרה, והנח את הדגימה על השמן. בתושבת המתמר, הנח 25 microliters של שמן טבילה על רפידת הלטקס, כך שהיא תכסה את כל השטח ללא היווצרות בועות. הבא את הלטקס במגע עם הדגימה, והדק את ברגי התושבת כדי לדחוס את המכלול.

החזירו את מחזיק ה-EFPA למערך האופטי והיערכו להרצת הניסוי. במחשב, הזינו את הפרמטרים להבאת ספקטרום זוויתי והתחילו במדידה. נתונים אלו, המתקבלים מספקטרוסקופיה פוטואקוסטית של החזרה פנימית מלאה, מייצגים את הגל האקוסטי הנוצר מדגימה סופגת.

במקרה זה, צבע אדום 81 במים. הטבע הבי-פולרי של הגל נובע מהחזרה אקוסטית בממשק שבין הדגימה לתשתית הזכוכית, שבו קיים הבדל גדול בעכבה האקוסטית. טכניקת ה-POSS TUR POSS מייצרת ספקטרום זוויתי.

כאשר מחשבים את הנגזרת המספרית ב-smooth, המינימום המקומי תואם לזווית הקריטית שנמדדה. בידיעה של זווית זו, ניתן לחשב את מקדם השבירה של החומר באורך הגל של הלייזר בניסוי. זהו אות מנורמל של ספקטרום זוויתי של אנרגיית לייזר עבור סרט מגנזיום על מצע זכוכית אופטית מסוג NBK-7.

ניתן להסיק מהערכים הללו את אחוז המנהור האופטי כפונקציה של זווית הפגיעה. מידע זה מאפשר להעריך את מקדם השבירה ואת העובי. בעת ביצוע הליך זה, חשוב לזכור למנוע היווצרות בועות בשמן או בדגימה.

לאחר צפייה בסרטון זה, אמורה להיות לכם הבנה טובה לגבי האופן שבו משתמשים בשיטות EFPA כדי להעריך את התכונות האופטיות של חומרים.