Name: Evanescente campo fotoacustica based: ottico valutazione delle proprietà a Surfaces (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-07-26T13:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 21 s
Description: Scopri la caratterizzazione delle proprietà ottiche di liquidi, solidi e film sottili trasparenti con tecniche fotoacustiche a riflessione totale interna. Questo metodo consente di misurare indice di rifrazione, spessore e assorbimento ottico in un unico dispositivo consolidato.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

playerTrialDesktop

Questo progetto è stato finanziato dalla National Science Foundation Brige Award (1.221.019).

1. Impostazione del sistema <ol><li> Utilizzare cianoacrilato epossidica aderire diametro 9 mm, cilindro lattice rosso spessa 1 mm verso la faccia anteriore di una 10 MHz trasduttori ad ultrasuoni e utilizzare cianoacrilato epossidica aderire diametro 9 mm, cilindro lattice rosso spessore di 1 mm per un spessore di 6 mm blocco acrilico che viene quindi fissata con resina epossidica allo stesso modo al trasduttore ad ultrasuoni riferimento di agire come un distanziatore acustica. </li><li> Impostare un treno ottico che ha un espansore fascio di essere colpito dal laser prima. Poi posto una seconda apertura regolabile manualmente. Infine utilizzare un cubo beam splitter polarizzante come terzo elemento e posizionare il trasduttore ultrasonico non nel porta-prisma EFPA e il trasduttore nel porta-prisma dell&#39;EFPA su ciascuna uscita del divisore di fascio non polarizzante. Nota: Il cubo beam splitter polarizzante viene utilizzato per garantire un puro, singola polarizzazione per l&#39;eccitazione come questo è fondamentale per il corretto funzionamento di tutte le tecniche EFPA. </li><li> Espandere l&#39;esitoing raggio laser utilizzando lenti per creare un espansore del fascio di almeno 3X dal ND q-switched: YAG. Nota: Il fascio è volutamente sovradimensionata rispetto all&#39;assorbitore lattice di gomma sul trasduttore campione per garantire il corretto funzionamento del sensore nonostante luce laser piedi fuori a causa di rifrazione attraverso il prisma a diversi angoli di incidenza. </li><li> Allineare il treno ottico e porta-prisma EFPA tale che il lato piatto del supporto più vicino il prisma sarà impostato su un angolo di 0 ° con un livello digitale. Ciò garantisce un corretto punto di partenza per i dati dello spettro angolare che verranno raccolti durante gli esperimenti. </li><li> Collegare e accendere i dispositivi esterni come l&#39;oscilloscopio, driver del motore passo-passo al computer, i trasduttori a ultrasuoni, e motori XY. Fisicamente collegare il trasduttore non nel prisma EFPA montaggio a Ch0 e fisicamente collegare il trasduttore nel prisma EFPA di montaggio per Ch1 tramite 50 cavi ohm BNC. Il software è preprogrammato per riconoscere unsegnali Coustic da questi canali specifici. </li></ol> 2. EFPA inizializzazione del sistema e allineamento ottico <ol><li> Regolare manualmente l&#39;apertura regolabile per bloccare il fascio a un diametro di 1 mm. </li><li> Avviare il software di programmazione (ad esempio, LabVIEW), impostare l&#39;angolo di 70 ° premendo il tasto verde &quot;movimento&quot; per spostare il monte per l&#39;angolo necessario per la 70 ° eccitazione all&#39;interfaccia del prisma / campione. </li><li> Utilizzando opportuni occhiali di protezione laser (OD 7+ a 532 nm), esaminare il prisma dal lato perpendicolare al raggio laser e spostare manualmente la fase del assi X e Y utilizzando i volantini fino a che il punto laser 1 millimetro è fluorescente visibile il lattice di gomma. Assicurarsi che il fascio è centrata sul lattice. </li><li> Espandere l&#39;apertura regolabile manualmente alla sua massima apertura e guardare la corsa pannello frontale del programma al fine di garantire sia il segnale di misura fotoacustico energia laser dalla EFPA prisma di montaggio (rosso line) e il segnale fotoacustico dal lato misurazione dell&#39;energia laser (linea bianca) sono visibili e sono approssimativamente la stessa ampiezza. </li><li> Arrestare il programma premendo il tasto &quot;STOP&quot;. Nota: Se il pulsante non viene premuto il prisma dovrà essere ripristinato manualmente prima di continuare il test. Una volta che il protocollo di inizializzazione è stata completata, TIRPAS, PAS / TIRPAS rifrattometria, o OTPAS possono essere eseguite. </li></ol> 3. TIRPAS Tecnica <ol><li> Posizionare il prisma nel prisma plastica adattatore di montaggio come mostrato in figura 3. Successivamente, posizionare 2,5 ml di indice olio per immersione adattato al tipo di prisma utilizzato, sul centro del prisma e panino dell&#39;olio posizionando un substrato sopra il strato di olio. </li><li> Mettere 25 ml di campione in lattice di gomma collegata al trasduttore nel trasduttore dell&#39;EFPA montare come mostrato in figura 3 in modo che ricopre l&#39;intera superficie senza formazione di bolle. Il campione puòessere qualsiasi materiale otticamente assorbente quale una soluzione di colorante, un fluido biologico, o un analita sospese in una soluzione. Non è necessaria alcuna preparazione del campione. Comprimere montare il prisma e serrare il monte insieme con le viti di fissaggio ad una coppia serie di 16.75 g / mm per ogni vite. </li><li> Selezionare la scheda &quot;Impostazioni&quot; e selezionare &quot;Impostazioni&quot; nel menu a discesa. </li><li> Eseguire il programma OTPAS intitolato sottile analyzer_USB-5133.vi pellicola (file supplementare). </li><li> Mostra il segnale acustico generato dal campione come mostrato in figura 4. Nota: L&#39;angolo di incidenza può essere modificato per controllare la profondità di penetrazione ottica del campo evanescente di osservare più sottili o spessi sezioni ottiche del campione. </li></ol> 4. PAS / TIRPAS Rifrattometria <ol><li> Posizionare il prisma nel prisma plastica adattatore di montaggio come mostrato in figura 3. Successivamente, posizionare 2,5 ml di olio per immersione indice corrispondenti al tipo di prisma utilizzato, su the centro del prisma e panino dell&#39;olio posizionando un substrato sopra il livello dell&#39;olio. </li><li> Mettere 25 ml di campione sul pezzo di gomma collegata al trasduttore nel trasduttore dell&#39;EFPA montare come mostrato in figura 3. Comprimere montare il prisma e serrare il supporto insieme con viti di fissaggio con una coppia insieme di 16.75 g / mm per ciascuna vite. </li><li> Selezionare la scheda &quot;angolare Spectrum&quot; e selezionare &quot;spettro angolare&quot; nel menu a discesa. Quindi, immettere i parametri appropriati nel programma come mostrato nella Tabella 1. </li><li> Eseguire il programma e attendere che lo spettro angolare è stato completato e il programma è terminato. </li><li> Fare clic destro sul grafico spettro angolare e selezionare &quot;Esporta dati → Esportare in Excel&quot; per salvare i dati e aprire il file .csv. <ol><li> Aprire questi dati in un programma di grafica (ad esempio, KaleidaGraph), ed eseguire una derivata numerica su di esso cliccando su &quot;Macro&quot; e selezionando &amp; #34; derivativo &quot;. Ingresso colonne appropriate per prendere il derivato su e premere il tasto&quot; OK &quot;e la derivata numerica verranno calcolati. </li><li> Rappresentare graficamente la derivata numerica contro l&#39;angolo e selezionare &quot;Adattamento curva&quot;. Selezionare l&#39;opzione &quot;Smooth&quot; 5,18,98 e selezionare la casella di controllo dei dati sotto &quot;curva selezioni fit&quot; per adattarsi a lisciare rumore dai dati. Selezionare la freccia verso il basso sotto la voce &quot;Visualizza&quot; e selezionare &quot;Copia curva adatta alla finestra dei dati&quot; per estrarre i dati in forma della curva ad un&#39;altra colonna. </li></ol></li><li> cercare manualmente attraverso l&#39;adattamento di curva per trovare il suo corrispondente angolo di incidenza minimo locale e che indica una transizione dalla PAS a regimi TIRPAS. Tale minimo corrisponde all&#39;angolo critico misurata, come mostrato in Figura 5. Usando l&#39;equazione n campione = n prisma sin θ c, calcolare l&#39;indice di rifrazione massa del campione sconosciuto in ondalunghezza impiegati per l&#39;interrogazione del laser. I risultati tipici sono riportati in Tabella 1. </li></ol> 5. OTPAS <ol><li> Collocare 2,5 ml di olio di immersione (indice corrispondente al tipo di vetro utilizzato) sul centro del prisma. </li><li> Posizionare il film o substrato per essere testato pellicola rivolta verso l&#39;alto (lontano dal prisma) e assicurarsi che non bolle si formano durante il posizionamento. Nota: Se le bolle si formano, rimuovere la pellicola campione o substrato e riprovare applicazione. </li><li> Mettere 25 ml di olio di immersione in lattice di gomma in modo che gli strati di olio immersione tutta la superficie senza formazione di bolle. </li><li> Comprimere gli strati substrato / pellicola come mostrato in figura 3. Serrare le viti di fissaggio con una coppia insieme di 16.75 g / mm che deve essere identico per ciascuna vite. Nota: Chiave di coppia in protocollo è in oz.-in., quindi 16.75 g / mm ~ 15 oz.-in. </li><li> Selezionare la scheda &quot;angolare Spectrum&quot; e selezionare &quot;spettro angolare&quot; sulla discesa uominiu. Quindi, immettere i parametri appropriati nel programma come indicato nella Tabella 3. </li><li> Eseguire il programma e attendere che lo spettro angolare è stato completato e il programma è terminato. </li><li> Eseguire nuovamente il test eseguito le fasi 5,1-5,6 usando il substrato o pellicola (quale non è stato fatto in precedenza) come mostrato in Figura 6. </li><li> Selezionare &quot;Curve Fitting&quot; nella casella a discesa e selezionare la scheda &quot;Curve fitting&quot;. Quindi, immettere i parametri appropriati come mostrato nella tabella 5. Selezionare la scansione film sotto &quot;campione&quot;. Selezionare la scansione substrato sotto &quot;substrato&quot;. </li><li> Input l&#39;indice di rifrazione, polarizzazione, e altre opzioni per le scansioni precedentemente eseguite in passi 5.1-5.6 come illustrato nella Tabella 4. </li><li> Eseguire il programma selezionando &quot;Curve Fitting&quot; nella casella a discesa e selezionando la scheda &quot;Curve Fitting&quot;. Osservare l&#39;indice di rifrazione e lo spessore sotto4;. Film RI &quot;e&quot; Spessore della pellicola &quot;mostrata in alto a destra dell&#39;interfaccia utente grafica del programma di dati tipica è mostrato in Figura 7. </li><li> Utilizzare l&#39;opzione &quot;Batch fit&quot; per adattarsi molte scansioni in una sola volta inserendo il numero di scansioni a forma di lotto e la selezione di un file .csv per l&#39;output dei dati da e ripetere il punto 5.10. Nota: Una volta che il programma viene eseguito si adatta ogni set di dati e di uscita tutto indice di rifrazione, lo spessore e valori residui al .csv. Al fine di far funzionare tutto questo, le scansioni devono essere in un elenco numerico come scan_001.csv, 002.csv scansione, etc. </li></ol>

Gli autori dichiarano di non avere interessi finanziari concorrenti.

L'uso di dispositivi per la caratterizzazione dei materiali su scala nanometrica continuerà senza dubbio nel lontano futuro al fine di produrre nuovi materiali e combinazioni di materiali per risolvere problemi sociali difficili e costosi. Molti metodi come l'ellissometria, la microscopia a forza atomica (AFM) e la fotoacustica tradizionale sono attualmente utilizzati per valutare le proprietà dei materiali su scala nanometrica, nonostante i loro limiti intrinseci dovuti a poche alternative. EFPA si mostra promettente come un insieme consolidato di tecniche in grado di superare i limiti tipici dell'effetto fotoacustico per fornire un unico strumento per caratterizzare i materiali su scala nanometrica.
Il protocollo qui descritto e le sue sottotecniche associate hanno la capacità di stimare sia gli indici di rifrazione di massa che quelli di film sottili di un materiale, lo spessore del film e hanno capacità di rilevamento per una varietà di applicazioni di biorilevamento. OTPAS ha in particolare il vantaggio di poter stimare lo spessore e l'indice di rifrazione dei film su scala nanometrica nonostante il fatto che i film stessi non contengano pigmentazione intrinsecamente assorbente. L'EFPA come insieme consolidato di tecniche presenta alcuni vantaggi rispetto a tecniche come l'ellissometria, la microscopia a forza atomica e il tradizionale effetto fotoacustico. Il primo vantaggio è che l'EFPA è relativamente poco costoso da configurare. Una tipica configurazione EFPA può stimare l'indice di rifrazione sia dalla massa che dalla superficie, può stimare lo spessore e può sondare materiali assorbenti e costerà circa $ 5.000 per l'installazione. Al contrario, le configurazioni AFM costano circa $ 50.000 e non possono stimare le proprietà ottiche. In secondo luogo, EFPA può stimare queste proprietà in pochi minuti senza interazioni complesse, come nell'ellissometria, dove l'errore del parametro di input può causare differenze nei risultati. Infine, l'EFPA, rispetto all'effetto fotoacustico tradizionale, ha una risoluzione assiale 100 volte inferiore in quanto può stimare lo spessore di film da 200 nm6 mentre l'effetto fotoacustico tradizionale è limitato a 7.500 nanometri quando si utilizzano laser simili e configurazione82. Convenientemente, quasi tutti i materiali hanno proprietà indipendenti e diverse dell'indice di rifrazione superficiale e di massa, nonché proprietà di assorbimento, che collettivamente fanno differenze funzionali nel loro uso nei sistemi di ricerca ottica.
I passaggi critici all'interno del protocollo si riducono a tre considerazioni principali. Innanzitutto, l'accoppiamento ottico del campione, sia esso un liquido o una pellicola, è fondamentale per ottenere risultati affidabili e ripetibili. Le bolle d'aria all'interno dell'olio di immersione o del campione porteranno a una caratterizzazione imprecisa dello spessore, dell'indice di rifrazione e, in alcuni casi, a una completa mancanza di sensibilità del trasduttore al campione eccitato a causa dell'incapacità degli ultrasuoni di passare adeguatamente attraverso un'interfaccia liquido/aria a causa di valori di impedenza acustica molto diversi. In secondo luogo, per quanto riguarda gli OTPAS, un campione che è omogeneamente spesso nell'area irradiata dal raggio laser al fine di fornire valori di spessore coerenti durante la scansione, poiché l'EFPA non è ancora in grado di determinare differenze di spessore all'interno dell'area di eccitazione. Infine, sempre per quanto riguarda gli OTPAS, il film campione deve essere trasparente alla lunghezza d'onda utilizzata. Questa è un'ipotesi fondamentale fatta nelle equazioni matematiche che descrivono come OTPAS trova i valori di spessore e indice di rifrazione. Se l'assorbimento è sufficientemente sostanziale da far assorbire dal film più dell'1% della luce incidente, la caratterizzazione non corrisponderà ai valori reali di spessore e indice di rifrazione del film.
Le modifiche alla tecnica EFPA possono essere apportate con relativa facilità e altri tipi di componenti possono essere sostituiti per scansioni o funzionalità più efficaci. Gli unici problemi importanti che devono essere affrontati quando si costruisce un sistema EFPA sono i seguenti. Innanzitutto, è fondamentale disporre di un metodo per ruotare automaticamente una montatura del prisma e acquisire segnali acustici con piccoli incrementi (0,05 gradi). In secondo luogo, avere un sistema laser con larghezza di impulso di nanosecondi o più corto per eccitare i campioni utilizzando l'effetto fotoacustico. In terzo luogo, avere un'interfaccia utente grafica o un programma per acquisire i dati per eseguire l'adattamento matematico della curva e le derivate numeriche per stimare lo spessore e l'indice di rifrazione del film sottile.
Ci sono tre limiti fondamentali all'EFPA. Il primo è che per trovare l'indice di rifrazione di massa, l'indice di rifrazione a film sottile, lo spessore o rilevare i materiali utilizzando TIRPAS, il campione deve avere un indice di rifrazione inferiore a quello del prisma o del substrato con cui è a contatto in modo che possa verificarsi una riflessione interna totale, che è la base di tutte e tre queste tecniche. La seconda limitazione è che l'EFPA attualmente richiede il contatto fisico per stimare lo spessore, l'indice di rifrazione e per il rilevamento delle proprietà. L'ultima limitazione è che l'OTPAS, una sottotecnica dell'EFPA, attualmente richiede materiali otticamente trasparenti per stimare lo spessore e l'indice di rifrazione del film sottile di interesse.
Questo tipo di strumento consolidato potrebbe trovare molte applicazioni in ambienti di caratterizzazione, tra cui nuclei di ricerca e ambienti industriali. Il lavoro futuro sulle tecniche EFPA si concentrerà sul miglioramento dell'accuratezza dell'indice di rifrazione attraverso miglioramenti nella strumentazione e negli stadi traslazionali/rotazionali. Ulteriori progressi si concentreranno sul miglioramento del rapporto segnale/rumore per il rilevamento di piccole quantità di materiali assorbenti, in modo da caratterizzare materiali debolmente assorbenti, come si trovano più comunemente nei sistemi biologici.

I progressi nella comprensione dei materiali ottici 1,3,4,6,7,10,13-16 hanno fornito nuove informazioni sulla creazione di materiali a film sottile per una serie di dispositivi ottici, compresi i rivestimenti antiriflesso sulle lenti, elevato rapporto di estinzione ottica filtri e guide d&#39;onda lastra altamente assorbenti 17. Questi progressi non sarebbero possibili senza l&#39;uso di molte tecniche di caratterizzazione, come ellissometria 4,6,18, misura dell&#39;angolo di contatto, microscopia a forza atomica 7,11,19, e microscopia a scansione / elettronico a trasmissione, che aiutano nel miglioramento iterativo di queste tecnologie mediante misure dirette o indirette di stime fondamentali proprietà dei materiali ottici. Tali proprietà, come l&#39;indice di rifrazione, regolano come i materiali interagiscono con fotoni incidenti, che colpisce direttamente la loro funzione e il loro utilizzo in applicazioni ottiche. Tuttavia, ciascuna di queste tecniche ha limitazioni relative alla risoluzione, preparazione del campione, il costo e la complessità, e ciascuno genera solo un sottoinsieme dei dati necessari per caratterizzare completamente il materiale. Detto questo, una nuova serie di tecniche, note come fotoacustica campo basata evanescenti (EFPA) 5,6,15,18,20-49 come mostrato nella Figura 1, ha il potenziale per stimare le proprietà dei materiali su nanoscala in un consolidato set di esperimenti. EFPA comprende i sotto-tecniche di riflessione interna totale spettroscopia fotoacustica (TIRPAS) 23,25,26,33-35,43-45, spettroscopia fotoacustica / riflessione interna totale spettroscopia fotoacustica rifrattometria (PAS / TIRPAS rifrattometria) 18, e fotoacustica tunneling ottico spettroscopia (OTPAS) 6, ed è stato utilizzato per stimare massa e indice di rifrazione della pellicola sottile, spessore del film, così come per rilevare materiali assorbenti ad un prisma / campione o interfaccia substrato / campione. Per comprendere il meccanismo EFPA, unodeve prima comprendere il concetto di spettroscopia fotoacustica (PAS), che si riferisce alla generazione di onde di pressione ultrasoniche dalla rapida espansione termoelastica di un cromoforo, in seguito all&#39;assorbimento di un ultra-short (&lt;msec) impulso di luce (Figura 1). Quadro teorico e matematico per l&#39;Effetto Fotoacustico discussi in questo documento può essere ottenuto qui 50-59. La variazione conseguente pressione può essere rilevato da un microfono ultrasuoni o trasduttore. L&#39;effetto fotoacustica, originariamente scoperto nel 1880 con l&#39;invenzione di fotofono di Alexander Graham Bell, è stato &quot;riscoperto&quot; nei primi anni 1970 a causa di progressi nella tecnologia laser e il microfono, e, infine, messo in uso pratico per compilare applicazioni di nicchia da immagini biomediche a film sottile analisi per controlli non distruttivi di materiali. 1,53-57,59-82 Questo effetto può essere matematicamente descritto con equazioni delle onde unidimensionali, in cui the onda è una sorgente acustica semplice la cui pressione (p) varia in posizione sia (x) e il tempo (t): <img alt="Equation1" src="/files/ftp_upload/54192/54192equation1.jpg" /> con soluzioni per semplici sorgenti acustiche del modulo 64 <img alt="Equation2" src="/files/ftp_upload/54192/54192equation2.jpg" /> dove p è la pressione, Γ = αv s 2 / C p dove α è il coefficiente di espansione termica del volume, v s è la velocità del suono nel mezzo, e C p è la capacità termica a pressione costante, H 0 è l&#39;esposizione radiante del raggio laser, c è la velocità del suono nel mezzo eccitato, x è la lunghezza, e t è il tempo. L&#39;ampiezza dell&#39;onda acustica risultante si basa direttamente sul coefficiente di assorbimento ottico del materiale, μ a, which è l&#39;inverso della profondità di penetrazione ottica, δ, che è a sua volta una misura della distanza che la luce viaggia fino decade in 1 / e della sua intensità ottica iniziale. Mentre equazione (1) è una equazione generale per una fonte un&#39;onda un piano dimensionale, assorbitori tipica verranno emettono un&#39;onda acustica sferico in tre dimensioni. Al di là della descrizione matematica, applicazioni dei fotoacustica effetto 54 campata molte modalità di imaging, come la microscopia, la tomografia, e anche l&#39;imaging molecolare per effetto fotoacustica ad elevata sensibilità a causa della grande assorbimento ottico a causa della presente naturalmente dell&#39;emoglobina cromoforo. Altre applicazioni del Effetto Fotoacustico includono anche la stima delle varie proprietà film sottile 15,16,20,21,24,26-32,36-39,41,42,56,83,84. Tuttavia, PAS ha alcune limitazioni: (1) la sua vasta profondità di penetrazione ottico elimina la possibilità di sondare campo vicino proprietà ottiche su superfici (2)efficienza s di catturare l&#39;energia acustica emessa è bassa a causa di propagazione sferica della maggior parte dell&#39;energia dal rivelatore (3) i campioni devono includere cromofori nel regime di lunghezza d&#39;onda considerata. In combinazione con tecniche di campo basate evanescenti, tuttavia, molte di queste limitazioni possano essere alleviati. Il campo evanescente si verifica quando un fascio di luce subisce riflessione interna totale (TIR), come descritto dalla legge di Snell, che effetto permette anche guide d&#39;onda in fibra ottica per guidare grandi distanze leggeri (km) per applicazioni di calcolo e di telecomunicazione. Nelle applicazioni pratiche, il campo evanescente viene utilizzato in una varietà di tecnologie di caratterizzazione e di imaging, compreso spettroscopia riflettanza totale attenuata (ATR). Imaging è realizzato con contrasto elevato a causa del confinamento della luce entro le prime poche centinaia di nanometri nel campione di interesse. Il campo evanescente prende la forma di un exponentially campo decadente che si estende nel mezzo esterno a una profondità di penetrazione ottica che è tipicamente dell&#39;ordine della lunghezza d&#39;onda utilizzata (generalmente ~ 500 nm o meno) come mostrato nelle equazioni 3 e 4. <img alt="Equation3" src="/files/ftp_upload/54192/54192equation3.jpg" /> dove I è l&#39;intensità della luce in% in una z posizione dall&#39;interfaccia prisma / campione, I 0 è l&#39;intensità di luce iniziale in% all&#39;interfaccia, z è la distanza in nanometri, e δ p è la profondità di penetrazione ottica come mostrato nell&#39;equazione 4. con una tale piccola profondità di penetrazione ottica, il campo evanescente è in grado di interagire con l&#39;ambiente molto vicino all&#39;interfaccia dei due materiali, e ben al di sotto dei limiti di diffrazione ottici ed acustici. Le proprietà ottiche dei materiali o particelle entro questo intervallo può perturbare il campo o alterare la sua generazione, che interazione può essere rilevato da una varietà di metodi 3,5,6,10,15,17,18,21,23,25-27,29-47,84-95. Quando tecniche evanescenti sono combinati con PAS, le forme d&#39;onda fotoacustico prodotti possono essere utilizzati per caratterizzare materiali o particelle interagenti con il campo evanescente, creando il evanescente campo fotoacustica base (EFPA) famiglia di tecniche, come mostrato in Figura 1. Questa famiglia comprende, ma non è limitato a, riflessione interna totale spettroscopia fotoacustica (TIRPAS), tunneling ottico spettroscopia fotoacustica (OTPAS), e risonanza plasmonica di superficie spettroscopia fotoacustica (SPRPAS). Il lettore interessato dovrebbe fare riferimento ai seguenti riferimenti per derivazioni delle equazioni utilizzate per TIRPAS 5,6,18,23,25,26,33-35,43-47, PAS / TIRPAS rifrattometria 18, e OTPAS 6. In ogni caso, l&#39;effetto fotoacustica è generato attraverso un meccanismo di eccitazione diverso semplice trasmittanza attraverso un prisma; per esempio, in TIRPAS, la luce è evanescentlyaccoppiato attraverso un prisma / substrato / interfaccia campione nei cromofori (che potrebbe includere il materiale campione stesso, o molecole ospiti all&#39;interno del campione), mentre nel SPRPAS, la principale modalità di eccitazione è invece attraverso l&#39;assorbimento di un plasmon di superficie, che è un&#39;onda EM secondario creato quando l&#39;energia del campo evanescente viene trasferito nella nube di elettroni di uno strato di metallo depositato sulla superficie del prisma. Questa famiglia di tecniche è stato originariamente inventato nei primi anni 1980 da Hinoue et al., E migliorato da T. Inagaki et al., Con l&#39;invenzione di SPRPAS, ma visto molto poco sviluppo a causa di limitazioni tecniche delle sorgenti di luce e delle apparecchiature di rilevamento disponibili . Più di recente, le indagini precedenti hanno dimostrato che l&#39;aumento della sensibilità e l&#39;utilità sono possibili con le moderne fluoruro di polivinile (PVDF) rilevatori ad ultrasuoni e q-switched neodimio-drogato granato di ittrio e alluminio (Nd: YAG) laser. In particolare, nanosecondo-Laser Nd: YAGlaser determinano un aumento 10 6 volte la potenza di picco, che consente tecniche dell&#39;EFPA diventare strumenti utili per valutare le proprietà ottiche di una varietà di materiali e interfacce 5,6,15,18,21-29,31-47,84 , 96. Inoltre, il lavoro precedente ha ulteriormente dimostrato la capacità di tali tecniche per determinare le informazioni strutturali su materiali a un&#39;interfaccia, che era in precedenza non realizzabili con le tecnologie (PAS) spettroscopia fotoacustica tradizionale a causa della loro relativamente grande profondità di penetrazione 53,55,57,59, 61,62,69,73,75,80,81. Questa capacità è mostrato nei protocolli che seguono sotto la tecnica OTPAS; Tuttavia, su un livello più fondamentale tre tecniche ciascuno basano su una diversa equazione definitiva, che determina le capacità della tecnologia. Ad esempio, in TIRPAS, la profondità di penetrazione ottica del campo evanescente, δ &#39;p, spinge prevalentemente acustico risultanteintensità del segnale di un campione assorbente, ed è descritto da: <img alt="Equation4" src="/files/ftp_upload/54192/54192equation4.jpg" /> dove λ 1 è la lunghezza d&#39;onda della luce che viaggia attraverso il medium prisma e è definito dalla relazione λ 1 = λ / n 1 in cui n 1 è l&#39;indice di rifrazione del materiale del prisma. Inoltre, θ si riferisce all&#39;angolo di eccitazione, e n 21 si riferisce al rapporto tra gli indici di rifrazione ciascun mezzo e è definita da n = 21 n 2 / n 1, in cui n 2 è l&#39;indice di rifrazione del materiale campione. Maggiore è la profondità di penetrazione ottica, più materiale viene irradiato. Per l&#39;effetto fotoacustica, maggiore è la profondità di penetrazione ottica, più materiale viene eccitato che può produrre onde acustiche che conducono ad un segnale acustico più grande. <pclass = &quot;jove_content&quot;&gt; A differenza TIRPAS tuttavia, in PAS / TIRPAS rifrattometria l&#39;equazione primario è la legge di Snell: <img alt="Equation5" src="/files/ftp_upload/54192/54192equation5.jpg" /> dove n 1 è l&#39;indice di rifrazione del prisma, θ 1 è l&#39;angolo di incidenza all&#39;interfaccia prisma / campione, n 2 è l&#39;indice di rifrazione del campione, e θ 2 è l&#39;angolo della luce che si rifrange attraverso la seconda medie. La sensibilità di stimare l&#39;indice di rifrazione di un materiale è determinata principalmente dalla precisione della stima di θ 1. Nella riflessione interna totale, che viene raggiunto quando θ 1 è oltre l&#39;angolo critico che genera un campo evanescente, sin θ 2 = 1 e quindi, Equazione 5 riduce a n 2 = n 1 sinθ 1. (Nota: θ 1 =θ critico) Conoscendo l&#39;angolo al quale la derivata numerica (dP / dO dove P è il picco di tensione di picco del segnale fotoacustico e θ è l&#39;angolo di incidenza della luce con il campione) del segnale fotoacustico ha un minimo locale permette per la stima di θ 1 che consente all&#39;utente di risolvere per n 2 e stimare l&#39;indice di rifrazione di massa di un campione come mostrato in Figura 1 così. Infine, in OTPAS, la seguente equazione riferisce trasmissione ottica in% picco fotoacustica alla tensione di picco da: <img alt="Equation6" src="/files/ftp_upload/54192/54192equation6.jpg" /> dove T è la trasmissione ottica per cento, p è la tensione picco-picco generata dallo spettro angolare di un substrato con un film su di esso, p 0 è la tensione picco-picco generata dal angolare spettro ofa substrato, β è la costante di accoppiamento in base al indice di rifrazione del prisma e l&#39;olio per immersione, α è il fattore di attenuazione, ed è un fattore che comprende lo spessore e l&#39;indice di rifrazione del film campione entro il campo evanescente. La sensibilità di questa tecnica per spessore e l&#39;indice di rifrazione è guidato dalla precisione della stima del picco-picco intensità di segnale acustico, p e p 0 ad ogni angolo di incidenza nello spettro angolare. E &#39;stato dimostrato che β può essere calcolato direttamente sulla base degli indici di rifrazione del prisma e l&#39;olio di immersione; di conseguenza, è un compito facile calcolare la trasmissione ottica ad ogni angolo di incidenza e quindi estrarre una stima per l&#39;indice di rifrazione e lo spessore del film attraverso curva statistica analisi raccordo. Il lettore interessato dovrebbe fare riferimento alla Goldschmidt et al. Per ulteriori informazioni. 5,6 Tha EFPA sistema è un sistema basato fotoacustico grado di stimare lo spessore, sottile indice di pellicola di rifrazione, indice di rifrazione rinfusa, e generare segnali acustici tramite assorbimento ottico per il rilevamento. Il sistema è composto da un laser, un sistema ottico per guidare la luce al prisma / campione e al lato misurazione dell&#39;energia laser. Il lato misurazione dell&#39;energia laser viene utilizzato per normalizzare il segnale fotoacustico all&#39;energia laser incidente, come mostrato in Figura 2. Il sistema EFPA è azionato da un driver del motore passo-passo per ruotare il prisma / campione per gli spettri angolare PAS / TIRPAS rifrattometria e OTPAS . Il sistema acquisisce i dati tramite una scheda di acquisizione digitale e fornisce un&#39;interfaccia utente e controllo automatizzato fase attraverso un programma di in casa.

<table><tbody><tr><td>Lente piana convessa da 100 mm</td><td>Thorlabs</td><td>LA1509</td><td>Lente piana convessa per espansore di fascio-Lente</td></tr> <tr><td>piana concava da 30 mm</td><td>Thorlabs</td><td>LC2679</td><td>Lente piana concava per espansore di fascio</td></tr><tr><td>Trasduttori a ultrasuoni da 10 MHz</td><td>Harisonic</td><td>I31006T</td><td>Sensori a ultrasuoni utilizzati per il rilevamento fotoacustico, sia per la misurazione dell'energia laser che per la montatura OTPAS</td></tr><tr><td>Olio da immersione Tipo A</td><td>Cargille</td><td>16482</td><td>Indice di 1,519 per corrispondere a quello dei substrati NBK-7 Foglio di</td></tr><tr><td>gomma in lattice naturale (rosso)</td><td>McMastercarr</td><td>86085K11</td><td>Indice ~1,519 per corrispondere a quello del liquido di immersione di tipo A per fungere da assorbitore ottico per misurare il tunneling ottico e l'energia laser</td></tr><tr><td>Occhiali laser</td><td>VERE</td><td>53</td><td>Utilizzato per proteggere gli occhi dalla luce laser</td></tr><tr><td>Cubo divisore di fascio non polarizzante montato su gabbia</td><td>Thorlabs</td><td>CM1-BS013</td><td>Luce laser divisa in modo che una metà possa essere misurata e una metà possa essere utilizzata per l'eccitazione</td></tr><tr><td>Cubo divisore di fascio polarizzatore montato su gabbia</td><td>Thorlabs</td><td>CM1-PBS251</td><td>Assicurarsi che la luce sia polarizzata prima di essere utilizzata per esperimenti di tunneling ottico</td></tr><tr><td>Diaframma a iride attivato ad anello graduato</td><td>Thorlabs</td><td>SM1D12C</td><td>Tagliare il raggio a una dimensione più piccola per l'allineamento</td></tr><tr><td>Scheda di</td> <td>acquisizione dati</td><td>Oscilloscopio USB</td><td>USB-5133</td> di National Instruments per l'acquisizione di dati</tr><tr><td>Driver per motori passo-passo</td><td>National Instruments</td><td>MID-7604</td><td>Driver per motori passo-passo per lo</td></tr><tr><td>stadio Sherline XY</td> a spettri angolari (14")<td>Sherline</td><td>5600-CNC/5610-CNC</td><td>Sherline XY</td></tr><tr><td>stadio 4 griffe mandrino autocentrante</td><td>Sherline</td><td>1076/1034</td><td>Sherline attacco rotazionale</td></tr><tr><td>Attacco ad angolo retto</td><td>Sherline</td><td>3701</td><td>Attacco ad angolo retto per il fissaggio a montaggio rotazionale</td></tr><tr><td>Tavola rotante CNC</td><td>Sherline</td><td>8730</td><td>Tavola rotante per il supporto del prisma/campione OTPAS</td></tr><tr><td>Sistema laser Surelite I-20</td><td>Continuum</td><td>I-20</td><td>Q-switched Laser Nd:YAG per campioni emozionanti Prisma</td></tr><tr><td>NBK-7</td><td>Thorlabs</td><td>PS911</td><td>Prisma ad angolo retto per EFPA</td></tr><tr><td>Chiave dinamometrica regolabile</td><td>Tohnichi</td><td>RTD40Z</td><td>Chiave dinamometrica regolabile per serrare equamente la montatura EFPA per ogni tecnica a 16,75 g/mm</td></tr><tr><td>Livella digitale</td><td>Micromark</td><td>84519</td><td>Livella digitale per garantire che il supporto del prisma EFPA inizi a 0 gradi.</td></tr></tbody></table>

evanescente campo fotoacustica based: ottico valutazione delle proprietà a surfaces

Evanescent Field Based Photoacoustics: Optical Property Evaluation at Surfaces

Qui, presentiamo un protocollo per stimare le proprietà ottiche del materiale e della superficie utilizzando l'effetto fotoacustico combinato con la riflessione interna totale. La valutazione delle proprietà ottiche dei film sottili e delle superfici dei materiali sfusi è un passo importante nella comprensione dei nuovi sistemi ottici di materiali e delle loro applicazioni. Il metodo presentato può stimare lo spessore, l'indice di rifrazione e utilizzare le proprietà di assorbimento dei materiali per il rilevamento. Questo sistema metrologico utilizza la fotoacustica evanescente basata sul campo (EFPA), un campo di ricerca basato sull'interazione di un campo evanescente con l'effetto fotoacustico. Questa interazione e la famiglia di tecniche che ne deriva consentono alla tecnica di sondare le proprietà ottiche entro poche centinaia di nanometri dalla superficie del campione. Questo campo vicino ottico consente la stima estremamente accurata delle proprietà del materiale sulla stessa scala del campo stesso, come l'indice di rifrazione e lo spessore del film. Con l'uso dell'EFPA e delle sue sottotecniche come la spettroscopia fotoacustica a riflessione interna totale (TIRPAS) e la spettroscopia fotoacustica a effetto tunnel ottico (OTPAS), è possibile valutare un materiale su scala nanometrica in uno strumento consolidato senza la necessità di molti strumenti ed esperimenti che possono essere proibitivi dal punto di vista dei costi.

I risultati sono stati indicati per TIRPAS, PAS / TIRPAS rifrattometria, e OTPAS che sono i subtechniques all&#39;interno della piattaforma EFPA. La figura 4 mostra un&#39;onda acustica TIRPAS rappresentativi generato da un campione assorbente. La natura bipolare dell&#39;onda acustica è caratteristica della tecnica TIRPAS e indica che TIRPAS sta verificando. Questa forma d&#39;onda bipolare si verifica a causa della riflessione acustica all&#39;interfaccia tra il campione e il substrato di vetro a causa di una grande differenza di impedenza acustica. Per PAS / TIRPAS rifrattometria Figura 5 e Tabella 1 è stata ottenuta. La Figura 5 mostra lo spettro angolare e derivata numerico ottenuto per un campione in fase di test per valutare l&#39;indice di rifrazione di massa. Tabella 1 mostra i risultati usando l&#39;rifrattometria PAS / TIRPAS stimare la indice di rifrazione maggior parte di un acqua / PEG / miscela colorante rosso diretto come comparosso per la stima dell&#39;indice di rifrazione di massa utilizzando un rifrattometro tenuto in mano standard. Infine, i risultati OTPAS sono mostrati in Figura 7 e Tabella 2. La Figura 7 mostra due figure delle scansioni angolari che vengono prese durante OTPAS. Tabella 2 mostra un confronto tra OTPAS e analisi spettroscopica ellissometria degli stessi campioni di film sottili. <img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/54192/54192fig1.jpg" /> Figura 1. Subtechnologies di EFPA. EFPA è attualmente composto da tre distinti sotto-tecnologie. Queste tecnologie sono TIRPAS, PAS / TIRPAS rifrattometria, e OTPAS. Ogni tecnica può valutare materiali per ricavare o determinare diverse proprietà. TIRPAS rileva materiali in base alla loro assorbimento ottico a fini di biosensori, PAS / TIRPAS rifrattometria valuta indice di rifrazione di massa, e OTPAS valuta film sottile indice di rifrazione di unspessore d. In TIRPAS, la luce oltre l&#39;angolo θ critica c crea un campo evanescente che può generare un&#39;onda acustica su di interagire con un assorbitore ottico. In PAS / TIRPAS rifrattometria, sia TIRPAS e forme d&#39;onda PAS sono ottenuti da entrambi campo evanescente di eccitazione fotoacustica e tradizionale di eccitazione fotoacustica. Tracciando questi due regimi su un grafico dello spettro angolare, l&#39;angolo transitorio può osservare, che può quindi essere utilizzato per ricavare l&#39;indice di rifrazione. Infine, in OTPAS, uno spettro di segnali acustici sono ricavati con irraggiamento laser oltre l&#39;angolo θ critica c sia un film sottile su un substrato e un substrato nudo. Applicando un algoritmo curva-montaggio non lineare ai dati, lo spessore del film sottile e indice di rifrazione possono essere derivate. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54192/54192fig1large.jpg" target="_blank">Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> . Figura 2. EFPA schematica / foto a sinistra: Per impostare EFPA il raggio laser deve essere ampliato per riempire eccessivamente l&#39;area di rilevamento coperta dal lattice di gomma. Il raggio dovrebbe inizialmente essere ad un angolo di 45 gradi al prisma, come mostrato. A destra:. Foto del setup che mostra il treno ottica <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54192/54192fig2large.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/54192/54192fig3.jpg" /> Figura 3. Esempio di carico. I campioni vengono caricati con il prisma fare contatto ottico con olio per immersione al substrato. In TIRPAS o PAS / TIRPAS rifrattometria, il contatto diretto a liquido si ottiene con il campione sul substrato per il test. In OTPAS, l&#39;accoppiamento ottico through olio supplementare di immersione tra il substrato e lattice di gomma rossa permette di tunneling ottico a verificarsi. Il supporto viene poi bloccato insieme con una chiave a coppia e viti di montaggio. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54192/54192fig3large.jpg" target="_blank">Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="Figura 4" src="/files/ftp_upload/54192/54192fig4.jpg" /> Figura 4. TIRPAS dati tipici. Forme d&#39;onda TIRPAS in genere hanno un aspetto bipolare segnale acustico che è caratteristica del metodo TIRPAS. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54192/54192fig4large.jpg" target="_blank">Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="Figura 5" src="/files/ftp_upload/54192/54192fig5.jpg" /> Figura 5. PAS / TIRPAS dati tipici. &lt;/ Strong&gt; sinistra: Dati spettro angolare che si ottiene irradiando il campione a vari angoli di incidenza. A destra: derivata numerica di figura a sinistra che rivela una minimi locali che indica la transizione dal PAS a regimi TIRPAS, che a sua volta corrisponde alla posizione dell&#39;angolo critico. Ristampato con il permesso. 18 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54192/54192fig5large.jpg" target="_blank">Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="Figura 6" src="/files/ftp_upload/54192/54192fig6.jpg" /> Figura 6. diagramma di flusso del programma. Il programma viene eseguito in pochi passaggi iterativi. Il supporto del prisma è impostato a zero gradi e quindi i parametri vengono selezionati prima di eseguire il programma. Poi il programma viene eseguito per acquisire uno spettro angolare sia un substrato e un film. Infine, una curva è adatta ai dati per stimare l&#39;indice di rifrazione e lo spessore pellicola. Ristampato con il permesso. 6 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54192/54192fig6large.jpg" target="_blank">Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="Figura 7" src="/files/ftp_upload/54192/54192fig7.jpg" /> . Figura 7. OTPAS dati tipici sinistra: Questa figura mostra le scansioni dello spettro angolare di un film MgF 2 e un substrato N-BK7 rispettivamente. A destra: Dividendo la scansione pellicola spettro angolare MgF 2 dalla scansione substrato N-BK7 e moltiplicando per un fattore costante beta, grado di tunneling ottico (%) vs. angolo di incidenza può essere ottenuta, che consente la stima della rifrazione l&#39;indice e lo spessore del film sottile. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54192/54192fig7large.jpg" target="_blank">cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <table fo:keep-together.within-page="1"><tbody><tr><td> PAS / TIRPAS </td><td> Esempio 1 </td><td> Esempio 2 </td><td> Esempio 3 </td><td> Esempio 4 </td><td> Esempio 5 </td><td> Atago R-5000 </td></tr><tr><td> Diretta rosso / PEG 125 mg / ml </td><td> 1.395 </td><td> 1.395 </td><td> 1.395 </td><td> 1.395 </td><td> 1.395 </td><td> 1,395-1,397 </td></tr><tr><td> Diretta rosso / PEG 250 mg / ml </td><td> 1.39 </td><td> 1.39 </td><td> 1.39 </td><td> 1.39 </td><td> 1.39 </td><td> 1,390-1,396 </td></tr><tr><td> Diretta rosso / PEG 500 mg / ml </td><td> 1.388 </td><td> 1.389 </td><td> 1.389 </td><td> 1.389 </td><td> 1.389 </td><td> 1,381-1,395 </td></tr><tr><td> Diretta rosso / PEG 750 ug / ml </td><td> 1.382 </td><td> 1.382 </td><td> 1.387 </td><td> 1.387 </td><td> 1.387 </td><td> 1,372-1,395 </td&gt; </tr><tr><td> Mioglobina 460 mg / ml </td><td> 1.33 </td><td> 1.329 </td><td> 1.331 </td><td> 1.33 </td><td> 1.331 </td><td> 1.335 </td></tr></tbody></table> Tabella 1. PAS risultati / TIRPAS. La tabella seguente mostra i risultati tipici per colorante rosso diretto con il 50% PEG mescolato per aumentare l&#39;indice di rifrazione. Ristampato con il permesso. 18 <table fo:keep-together.within-page="1"><tbody><tr><td> tipo di test </td><td> Tecnica </td><td> tipo Film </td><td> Indice di rifrazione </td><td> Spessore (nm) </td></tr><tr><td> Intrasample </td><td> OTPAS </td><td> MgF 2 200 nm </td><td> 1.384 ± 0.004 </td><td> 203 ± 6 </td></tr><tr><td> Intrasample </td><td> Ellipsometry </td><td> MgF 2 200 nm </td><td> 1.393 ± 0.001 </td><td> 192.4 ± 1.1 </td></tr><tr><td> Intersample </td><td> OTPAS </td><td> MgF 2 200 nm </td><td> 1.395 ± 0.011 </td><td> 220 ± 19 </td></tr><tr><td> Intersample </td><td> ellissometria </td><td> MgF 2 200 nm </td><td> 1.392 ± 0.002 </td><td> 195,2 ± 1.8 </td></tr></tbody></table> Tabella 2. OTPAS risultati. La tabella seguente mostra i risultati tipici per 200 nm MGF 2 film sottili in OTPAS vs. spettroscopica ellissometria. Intrasample si riferisce a test di un unico film dieci volte, mentre Intersample si riferisce a testare dieci film in modo indipendente. Ristampato con il permesso. 6 <table fo:keep-together.within-page="1"><tbody><tr><td> # Delle medie </sTrong&gt; </td><td fo:width="0.6in" style="width:40px"> 1 </td><td> angolo di partenza </td><td fo:width="0.6in" style="width:35px"> 60 </td><td> Riscaldamento (min) </td><td style="width:90px"> 0 </td><td style="width:90px"> Indice di rifrazione (prisma) </td><td> 1.519 </td></tr><tr><td> # scansioni </td><td> 1 </td><td> Dimensione del passo </td><td> 0.1 </td><td> Salvare </td><td> .csv &quot;yourfilename&quot; </td><td> Microstep # </td><td> 10 </td></tr><tr><td> Set Q-switch </td><td> 275 </td><td> angolo di arresto </td><td> 80 </td><td> laser selezionare </td><td> Surelite </td><td> Velocità (rpm) </td><td> 500 </td></tr><tr><td> Tolleranza di errore (%) </td><td> 5 </td><td> avvio laser </td><td> sopra </td><td> Filtro passa-basso (program) </td><td> 1,00 x 10 7 </td><td> Accelerazione (RPS) </td><td> 200 </td></tr></tbody></table> Tabella 3. Impostazioni dello spettro angolare per PAS / TIRPAS rifrattometria. La seguente tabella mostra le impostazioni necessarie per uno spettro angolare in PAS / TIRPAS rifrattometria. <table fo:keep-together.within-page="1"><tbody><tr><td> # Delle medie </td><td fo:width="0.6in" style="width:40px"> 64 </td><td> angolo di partenza </td><td fo:width="0.6in" style="width:35px"> 70 </td><td> Riscaldamento (min) </td><td style="width:90px"> 1 </td><td style="width:90px"> Indice di rifrazione (prisma) </td><td> 1.519 </td></tr><tr><td> # scansioni </td><td> 1 </td><td> Dimensione del passo </td><td> 0.1 </td><td> Salvare </td><td> &quot;Yourfilename &amp;# 8221; .csv </td><td> Microstep # </td><td> 10 </td></tr><tr><td> Set Q-switch </td><td> 275 </td><td> angolo di arresto </td><td> 72 </td><td> laser selezionare </td><td> Surelite </td><td> Velocità (rpm) </td><td> 500 </td></tr><tr><td> Tolleranza di errore (%) </td><td> 5 </td><td> avvio laser </td><td> sopra </td><td> Filtro passa-basso (programma) </td><td> 1,00 x 10 7 </td><td> Accelerazione (RPS) </td><td> 200 </td></tr></tbody></table> Tabella 4. Impostazioni spettro angolare per OTPAS. La seguente tabella mostra le impostazioni necessarie per uno spettro angolare OTPAS. <table fo:keep-together.within-page="1"><tbody><tr><td style="width:65px"> Indice di rifrazione inferiore </td><td> 1 &lt;/ Td&gt; <td style="width:72px"> Tolleranza </td><td> 1,00 x 10 -12 </td><td style="width:80px"> accoppiatore RI </td><td style="width:83px"> 1.519 </td><td style="width:65px"> i dati del substrato </td><td style="width:83px"> selezionare yourfilename.csv </td></tr><tr><td> spessore minore </td><td> 0 nm </td><td> Rifrazione indovinare indice </td><td> 1.3 </td><td> lunghezza d&#39;onda </td><td> 532 nm </td><td> Più file di risparmiare a </td><td> selezionare yourfilename.csv </td></tr><tr><td> spessore superiore </td><td> 1.000 nm </td><td> congettura spessore </td><td> 200 nm </td><td> Polarizzazione </td><td> P polarizzato </td><td> Quanti file </td><td> # Dei file che si vuole adattare </td></tr><tr><td> Max iterazione </td><td> 5.000 </td><td> SubstratoRI </td><td> 1.519 </td><td> dati Film </td><td> selezionare yourfilename.csv </td><td> Tipo di adattamento </td><td> in forma singola / batch in forma </td></tr></tbody></table> Tabella 5. Curve parametri di adattamento. La tabella seguente mostra i parametri di raccordo di curva necessari per la stima dei parametri corretti. Supplementare Codice File:. Pellicola sottile OTPAS analyzer_USB-5133.vi <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54192/OTPAS_Thin_Film_Analyzer_USB-5133.vi" target="_blank">Cliccate qui per scaricare questo file.</a>

Qui vi presentiamo un protocollo per stimare il materiale e la superficie proprietà ottiche utilizzando l&#39;Effetto Fotoacustico combinato con riflessione interna totale. Questa tecnica evanescenti fotoacustica sul campo basati possono essere usati per creare un sistema di metrologia fotoacustico di stimare indici di spessori, di massa e sottile rifrazione pellicola di materiali &#39;, e di esplorare le loro proprietà ottiche.

Evanescente campo fotoacustica based: ottico valutazione delle proprietà a Surfaces

Here, we present a protocol to estimate material and surface optical properties using the photoacoustic effect combined with total internal reflection. ...

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.

evanescent-field-based-photoacoustics-optical-property-evaluation-at

Research

Ricerca

JoVE Journal

Engineering

Ingegneria

Microscopia ottica con risoluzione fotoacustico (OR-PAM) è una tecnologia emergente in grado di assorbimento di imaging ottico...

Tridimensionale con risoluzione ottica Microscopia fotoacustico

Una particella Image Echo velocimetria (EPIV) sistema in grado di acquisire bidimensionali campi di velocità nei fluidi otticamente opachi o attraverso geometrie impenetrabili è descritto, e le misure di convalida del flusso del tubo sono segnalati.

Echo Particle Image Velocimetry

Fotoacustica oftalmologia (PAOM), un assorbimento ottico basato modalità di imaging, fornisce la valutazione complementare della retina alle tecnologie attualmente disponibili oftalmici imaging. Riportiamo l'utilizzo di PAOM integrato con-dominio spettrale tomografia a coerenza ottica (SD-OCT) per il controllo simultaneo di imaging multimodale retinica nel ratto.

Integrato oftalmoscopia fotoacustico e Spectral-dominio Optical Coherence Tomography

L'obiettivo generale di questo metodo è quello di determinare la bassa energia struttura elettronica dei solidi a ultra-bassa temperatura con angolo-Resolved spettroscopia di fotoemissione con radiazione di sincrotrone.

Angolo-spettroscopia di fotoemissione risolta A ultra-basse temperature

Fluorescente-core sensori microcavità impiegano un alto indice di quantum dot-rivestimento nel canale di silice microcapillari. Variazioni dell'indice di rifrazione di fluidi pompati nel canale capillare causa sposta nello spettro di fluorescenza microcavità che può essere utilizzato per analizzare il mezzo canale.

Sintesi e funzionamento del fluorescente-core microcavità per il Rilevamento rifrattometrico

Il manoscritto descrive un metodo di spettroscopia di fluorescenza quasi risonante assistita da fononi che incorpora sia la spettroscopia a risoluzione limitata dal laser che la spettroscopia di fotoluminescenza (PL). Questo metodo utilizza fononi ottici per fornire spettri di risoluzione a larghezza limitata di linee di strutture semiconduttrici simili ad atomi nel dominio dell'energia. Il metodo è anche facilmente realizzabile con una configurazione di spettroscopia ottica a spettrometro...

Alta Risoluzione Phonon-assisted Quasi-risonanza spettroscopia di fluorescenza

Due tipi di superfici, acciaio rivestito di poliestere e poliestere rivestito con uno strato di nanoparticelle di silice, sono stati studiati. Entrambe le superfici sono state esposte alla luce solare, che è stato trovato per causare cambiamenti sostanziali nella chimica e nanoscala topografia della superficie.

L&#39;evoluzione di silice Coatings nanoparticelle-poliestere su superfici esposte al sole

Qui viene dimostrato un sistema di microscopia fotoacustica (AR-OR-PAM) di risoluzione acustica (AR) e di risoluzione ottica (AR) in grado di ottenere immagini ad alta risoluzione a profondità poca e immagini a tessuto profondo a bassa risoluzione sullo stesso campione in vivo .

Microscopio fotoacustico acustico e ottico<em&gt; In Vivo</em&gt; Piccolo animale Blood Imaging di Vasculature

Questo protocollo descrive la strumentazione per la determinazione dell'eccitazione e tariffe tra emettitori di luce e Bloch-come plasmonica di superficie polaritoni derivanti da matrici di periodiche di accoppiamento.

Determinazione di eccitazione e tariffe tra emettitori di luce e polaritoni plasmonica di superficie di accoppiamento

Le nanogoccioline di perfluorocarburo attivate otticamente mostrano risultati promettenti nelle applicazioni di imaging al di fuori del sistema vascolare. Questo articolo dimostrerà come sintetizzare queste particelle, reticolare i fantasmi di poliacrilammide e modulare acusticamente le goccioline per migliorare il loro segnale.

Formulazione e modulazione acustica di nanogoccioline di perfluorocarburi vaporizzate otticamente

Questo protocollo descrive la fabbricazione di un materiale fantasma stabile e biologicamente rilevante per applicazioni di imaging biomedico ottico e acustico, caratterizzato da proprietà acustiche e ottiche sintonizzabili in modo indipendente.

Un materiale fantasma stabile per l'imaging ottico e acustico

Scopri la caratterizzazione delle proprietà ottiche di liquidi, solidi e film sottili trasparenti con tecniche fotoacustiche a riflessione totale interna. Questo metodo consente di misurare indice di rifrazione, spessore e assorbimento ottico in un unico dispositivo consolidato.

Evanescente campo fotoacustica based: ottico valutazione delle proprietà a Surfaces

Esplora altri video