Evanescente campo fotoacustica based: ottico valutazione delle proprietà a Surfaces

L'obiettivo generale di questo insieme di tecniche fotoacustiche è caratterizzare le proprietà ottiche di liquidi, solidi e film sottili trasparenti in un unico dispositivo integrato. Questo metodo può contribuire a rispondere a domande fondamentali nel campo della caratterizzazione dei materiali, come lo spessore stimato e l'indice di rifrazione. Il vantaggio principale di questa tecnica è che l'indice di rifrazione del materiale in massa, l'indice di rifrazione del film sottile, lo spessore e l'assorbimento ottico possono essere misurati in un singolo dispositivo.

Per iniziare l'esperimento, è necessario preparare alcune attrezzature. Innanzitutto, l'esperimento richiede due trasduttori ultrasuonici come questi modelli da 10 megahertz utilizzati per il presente protocollo. Ognuno presenta un cilindro in gomma di lattice rosso del diametro di nove millimetri e dello spessore di un millimetro, fissato con resina epossidica sulla sua faccia anteriore.

Il trasduttore di riferimento è inoltre incollato con resina epossidica a un blocco di acrilico, che funge da spaziatore acustico. Un altro componente da preparare è il supporto per il prisma basato sul campo evanescente fotoacustico, o EFPA. Il supporto per il prisma EFPA è composto da un supporto per prisma e da un supporto per trasduttore.

Un prisma è posizionato nel supporto per prisma. Il supporto del trasduttore tiene uno dei trasduttori ultrasonici preparati in modo che la superficie in lattice sia esposta. Con il prisma e il trasduttore posizionati, unire le due parti del supporto per prisma, in modo che la superficie in lattice sia rivolta verso il prisma attraverso un'intercapedine destinata ad accogliere il campione.

Fissare i pezzi tra loro con delle viti. L'apparato rimanente per questo esperimento è già posizionato su un banco ottico. Il fascio è prodotto da un laser al neodimio alluminio granato a deuterio con interruttore a levetta.

Il suo output entra in un espansore del fascio. A seguire vi è un diaframma regolabile manualmente. L'elemento successivo è un cubo divisore del fascio polarizzante.

Il fascio entra quindi in un divisore di fascio non polarizzante. Un'uscita va a un trasduttore ultrasonico montato, che fungerà da riferimento. L'altra uscita del divisore di fascio va al supporto del prisma EFPA montato e al suo trasduttore.

Il fascio che esce dal supporto del prisma entra in un blocco per fasci. Il supporto del prisma EFPA è montato su uno stadio di traslazione XY theta per consentirne il posizionamento corretto. Il suo angolo può essere modificato tramite un motore passo-passo controllato dal computer.

Per prepararsi all'esperimento, tornare al laser e al sistema di espansione del fascio. Utilizzare lenti per creare un'espansione del fascio di almeno un fattore tre. Il fascio deve essere più ampio rispetto all'assorbitore di lattice sui trasduttori.

Dopo aver utilizzato l'espansore, allineare il fascio e il supporto del prisma con un livello digitale. Il lato piatto del supporto del prisma deve trovarsi a zero gradi rispetto al fascio. Collegare e accendere i trasduttori, gli oscilloscopi e i monitor controllati dal computer.

Utilizzare cavi BNC da 50 ohm per collegare il trasduttore di riferimento al canale zero dell'oscilloscopio. Collegare il trasduttore nel supporto prismatico EFPA al canale uno. Per i passaggi di allineamento, assicurarsi di indossare gli appositi occhiali di protezione per la sicurezza laser.

All'apertura regolabile, ridurre il fascio a un diametro di un millimetro. Sul computer, avviare il software che controllerà l'esecuzione degli esperimenti. Utilizzare il software per ruotare il supporto del prisma a 70 gradi.

Osservare il prisma perpendicolarmente al fascio laser dal lato e verificare se il punto laser è visibile sul lattice. Regolare manualmente lo stadio di traslazione XY theta finché il punto laser non è posizionato correttamente sul trasduttore. L'obiettivo è posizionare il punto al centro del lattice.

Ritorna all'apertura e dilatala alla massima apertura. Sul computer, esamina le misurazioni energetiche provenienti dai trasduttori. In questo caso, la linea rossa proviene dalla misurazione diretta dell'energia del laser, che fa da riferimento.

La linea blu proviene dal trasduttore nel supporto del prisma EFPA. Verificare che le due misurazioni abbiano all'incirca la stessa entità. Quando tutto è in ordine, arrestare la misurazione, che reimposterà automaticamente il prisma a zero gradi prima di proseguire.

La tecnica di spettroscopia fotoacustica a riflessione interna totale verrà utilizzata per analizzare il campione liquido. Il campione è costituito dal colorante rosso diretto 81 in acqua. Inoltre, la tecnica richiede olio per immersione con indice di rifrazione abbinato al prisma, nonché un vetrino da microscopio come substrato per ricoprire la superficie del prisma.

Togliere il supporto per prisma EFPA dal setup e aprirlo per posizionare il campione. Iniziare con un prisma e applicare 2,5 microlitri di olio di immersione al centro. Successivamente, posizionare il substrato sulla parte superiore dello strato di olio distribuito.

Successivamente, passare a lavorare con il lattice sul trasduttore ultrasonico EFPA. Posizionare quindi 25 microlitri del campione liquido senza produrre bolle d'aria. A questo punto, rimontare il supporto EFPA posizionando la combinazione substrato con olio per prisma sulla parte superiore del lattice ricoperto di campione.

Comprimere il supporto del prisma e fissare l'insieme con le viti di montaggio. Quando il supporto EFPA è pronto, riposizionarlo nell'allestimento dell'esperimento. Reintrodurre il supporto EFPA nella sua posizione tra gli elementi ottici.

Assicurarsi che tutti i componenti siano pronti prima di avviare la raccolta dei dati. Utilizzare un software di laboratorio per misurare e visualizzare il segnale acustico generato dal campione. I dati mostrano la tensione picco-picco in funzione del tempo.

Per prepararsi alla rifrattometria POSS TUR POSS, utilizzare nuovamente il supporto per prisma EFPA dell'apparato. Separare il supporto per esporre il prisma e il lattice del trasduttore. Avere a portata di mano il campione, l'olio di immersione con indice di rifrazione abbinato a quello del prisma e un substrato per coprire la superficie del prisma.

Posizionare 2,5 microlitri di olio per immersione al centro del prisma. Racchiudere l'olio posizionando un substrato sulla parte superiore dello strato di olio. Spostarsi sul trasduttore nel suo alloggiamento e applicare 25 microlitri di colorante campione sul suo cuscinetto in lattice.

Una volta completata questa operazione, posizionare il supporto del prisma con il suo olio e substrato sul lattice o sul trasduttore. Comprimere i due supporti insieme e fissarli con le viti di montaggio. Con il supporto del prisma EFPA posizionato correttamente nell'apparato, passare al software controllato dal computer.

Inserire l'intervallo di angoli di incidenza per cui deve essere misurato lo spettro e l'incremento angolare. Eseguire il programma per misurare lo spettro e rappresentarlo come tensione picco-picco in funzione dell'angolo. A partire dallo spettro misurato, utilizzare un software per calcolare e tracciare la derivata numerica rispetto all'angolo.

Utilizzare i dati regolarizzati della derivata numerica per identificare manualmente i minimi locali e i corrispondenti angoli di incidenza. I minimi indicano una transizione dal regime POSS a quello TUR POSS. Lavorare con il supporto per prisma EFPA per prepararlo alla spettroscopia fotoacustica per effetto tunnel ottico.

Tenere separati i supporti per il prisma e il trasduttore e avere a disposizione olio di immersione con indice di rifrazione abbinato al prisma. Il campione è un sottile film di fluoruro di magnesio depositato su un vetrino. Al centro del prisma, posizionare 2,5 microlitri di olio di immersione.

Dopo aver posizionato l'olio, orientare il campione in modo che il film sottile sia rivolto lontano dal prisma e appoggiare il campione sull'olio. Sul supporto del trasduttore, applicare 25 microlitri di olio di immersione sul cuscinetto in lattice, in modo da ricoprire l'intera superficie senza formare bolle. Mettere a contatto il lattice con il campione e stringere le viti di fissaggio per comprimere l'insieme.

Riportare il supporto EFPA al setup ottico e prepararsi a eseguire l'esperimento. Sul computer, inserire i parametri per l'acquisizione di uno spettro angolare e avviare la misurazione. Questi dati, ottenuti dalla spettroscopia fotoacustica a riflessione totale interna, sono rappresentativi dell'onda acustica generata da un campione assorbente.

In questo caso, colorante rosso 81 in acqua. La natura bipolare dell'onda si verifica a causa della riflessione acustica all'interfaccia tra il campione e il substrato di vetro, dove esiste una grande differenza di impedenza acustica. La tecnica POSS TUR POSS genera uno spettro angolare.

Quando la derivata numerica viene calcolata in modo uniforme, il minimo locale corrisponde all'angolo critico misurato. Conoscendo questo angolo, è possibile calcolare l'indice di rifrazione del materiale alla lunghezza d'onda del laser utilizzata nell'esperimento. Questo è lo spettro angolare del segnale normalizzato dell'energia laser per un film di magnesio su un substrato di vetro ottico NBK-7.

La percentuale di tunneling ottico in funzione dell'angolo di incidenza può essere ricavata da questi valori. Queste informazioni permettono di stimare l'indice di rifrazione e lo spessore. Durante l'esecuzione di questa procedura, è importante ricordarsi di evitare la formazione di bolle nell'olio o nel campione.

Dopo aver visto questo video, ora dovresti avere una buona comprensione di come utilizzare i metodi EFPA per stimare le proprietà ottiche dei materiali.