エバネセント場ベースの光音響：表面での光学特性評価

一連の光音響技術の総合的な目的は、液体、固体、および透明薄膜の光学特性を、一つの統合された装置で特性評価することです。この手法は、推定厚さや屈折率など、材料特性評価分野における重要な課題の解決に役立ちます。本技術の主な利点は、バルク屈折率、薄膜屈折率、厚さ、および光吸収を、単一の装置で測定できることです。

実験を開始するために、いくつかの装置を準備する必要があります。まず、本プロトコルで使用している10 megahertzモデルのような超音波トランスデューサが2個必要です。それぞれ、前面に直径9 mm、厚さ1 mmの赤色ラテックスゴム製シリンダーがエポキシ樹脂で固定されています。

参照用トランスデューサも同様にアクリルブロックにエポキシ樹脂で固定されており、これが音響スペーサーとして機能します。次に準備すべき機器は、エバネッセント場ベース光音響（EFPA）プリズムホルダーです。EFPAプリズムホルダーは、プリズムマウントとトランスデューサマウントで構成されています。

プリズムをプリズムマウントに装着します。トランスデューサマウントに、準備した超音波トランスデューサの1つを、ラテックスが露出するように固定します。プリズムとトランスデューサを配置した後、プリズムホルダーの2つのパーツを合わせ、サンプルを挿入するための隙間を挟んで、ラテックスがプリズムと向かい合うようにします。

各部品をネジで固定します。本実験で使用する残りの装置は、すでに光学ベンチ上に配置されています。ビームは、Qスイッチネオジウムドープ・イットリウム・アルミニウム・ガーネット（Nd:YAG）レーザーによって生成されます。

その出力はビームエキスパンダーに入ります。次に、手動で調整可能なアパーチャが配置されています。次の要素は偏光ビームスプリッターキューブです。

次に、ビームは非分光ビームスプリッターに入射します。一方の出力は、リファレンスとして機能する固定超音波トランスデューサーに向かいます。ビームスプリッターからのもう一方の出力は、固定されたEFPAプリズムホルダーとそのトランスデューサーに向かいます。

プリズムホルダーから出たビームはビームブロックに入ります。EFPAプリズムホルダーは、適切な位置合わせができるようXYθ翻訳ステージに取り付けられています。その角度は、コンピュータ制御のステッピングモーターによって変更可能です。

実験の準備として、レーザーとビームエキスパンダーに戻ります。レンズを使用して、少なくとも3倍のビーム拡大を行ってください。ビームは、トランスデューサー上のラテックス吸収体よりも大きいサイズにする必要があります。

エキスパンダーで調整した後、デジタル水準器を使用して、ビームとプリズムホルダーの位置を合わせます。プリズムマウントの平坦な面が、ビームに対して0度になるようにしてください。トランスデューサー、オシロスコープ、およびコンピュータ制御モニターを接続し、電源を入れます。

50 ohm BNCケーブルを使用して、基準トランスデューサーをオシロスコープのチャンネル0に接続します。EFPAプリズムマウント内のトランスデューサーをチャンネル1に接続します。アライメントの手順を行う際は、必ず適切なレーザー保護メガネを着用してください。

調節可能な絞りで、ビーム径を1 mmまで縮小させます。コンピュータで、実験の実行を制御するソフトウェアを起動してください。ソフトウェアを使用して、プリズムマウントを70度に回転させます。

側方からレーザービームに対して垂直にプリズムを覗き込み、ラテックス上にレーザースポットが見えるかを確認します。レーザースポットがトランスデューサ上の正しい位置に配置されるまで、XYθ翻訳ステージを手動で調整します。スポットをラテックスの中心に位置させることが目的です。

アパーチャに戻り、最大限に開きます。コンピューターで、トランスデューサーからのエネルギー測定値を確認します。この場合、赤色の線が直接レーザーエネルギー測定（リファレンス）の値です。

青色の線はEFPAプリズムホルダー内のトランスデューサーによるものです。2つの測定値がほぼ同じ大きさであることを確認してください。すべて正常であれば測定を停止します。これにより、続行前にプリズムが自動的に0度にリセットされます。

全反射光音響分光法を用いて、液体試料の分析を行います。試料は水に溶解したDirect Red Dye 81です。さらに、この手法ではプリズムと屈折率を合わせた浸油および、プリズム表面を覆う基材としての顕微鏡用スライドガラスが必要となります。

EFPAプリズムホルダーを装置から取り出し、サンプルを設置するために開きます。まずプリズムを用意し、その中心に浸油を2.5 µL滴下します。次に、広がったオイル層の上に基板を配置します。

次に、EFPA超音波トランスデューサ上のラテックスの操作に移ります。そこに、気泡を発生させないようにして、25 µLの液体試料を滴下します。続いて、試料を塗布したラテックスの上にプリズムオイル基板の複合体を載せ、EFPAホルダーを再組み立てします。

プリズムホルダーを圧縮し、取り付けネジでアセンブリを固定します。EFPAホルダーの準備ができたら、実験セットアップに戻します。光学素子の中の元の位置にEFPAホルダーを再設置してください。

データ収集を開始する前に、すべてのコンポーネントが準備できていることを確認してください。ラボ用ソフトウェアを使用して、サンプルから発生する音響信号を測定し、表示します。データは、時間の関数としてのピーク間電圧を示します。

POSS TUR POSS屈折率測定の準備として、再度セットアップからEFPAプリズムホルダーを取り出します。ホルダーを分離して、プリズムとトランスデューサーからラテックスを露出させます。サンプル、プリズムに屈折率を合わせた浸漬油、およびプリズム表面を覆うための基板を用意してください。

プリズムの中央に2.5 µLの浸漬油を滴下します。油層の上に基板を載せて、油を挟み込みます。マウントに固定されたトランスデューサーへ移動し、ラテックスパッドの上に25 µLのサンプル染料を滴下します。

これが完了したら、オイルと基板を装着したプリズムマウントをラテックスまたはトランスデューサーの上に配置します。2つのマウントを合わせて圧縮し、取り付けネジで固定します。セットアップ内でEFPAプリズムホルダーが所定の位置に配置された状態で、コンピュータ制御ソフトウェアに切り替えます。

スペクトルを測定する入射角の範囲とステップサイズを入力してください。プログラムを実行してスペクトルを測定し、ピーク間電圧を角度の関数としてプロットします。測定されたスペクトルを用いて、ソフトウェアで角度に対する数値微分を求め、グラフを作成してください。

数値微分から得られた平滑化データを用いて、局所的な極小値とそれに対応する入射角を手動で特定します。極小値は、POSSレジームからTUR POSSレジームへの転移を示しています。EFPAプリズムホルダーを操作し、光学トンネル光音響分光法の準備を整えます。

プリズムとトランスデューサーのマウントを分離し、プリズムに屈折率を合わせた浸漬油を用意しておきます。試料は、ガラススライド上に堆積させたフッ化マグネシウムの薄膜です。プリズムの中心に、2.5 µLの浸漬油を滴下します。

オイルを配置した後、薄膜がプリズムから離れるようにサンプルを向け、サンプルをオイルの上に置きます。トランスデューサーマウントのラテックスパッドに25 microlitersの浸漬オイルを滴下し、気泡が生じないように表面全体を覆います。ラテックスをサンプルに接触させ、取り付けネジを締めてアセンブリを圧縮します。

EFPAホルダーを光学系に戻し、実験の準備をします。コンピュータで角スペクトル測定のパラメータを入力し、測定を開始してください。この全内部反射光音響分光法によるデータは、吸収試料から発生した音響波を代表するものです。

本事例では、水に赤色色素81を溶解させています。波の双極性特性は、試料とガラス基板の界面における音響反射によって生じますが、これは界面で音響インピーダンスに大きな差があるためです。POSS TUR POSS法により、角度スペクトルが生成されます。

smoothで数値微分を行うと、局所的な最小値が測定された臨界角に対応します。この角度がわかれば、実験で使用したレーザー波長におけるバルク屈折率を算出することが可能です。これは、NBK-7光学ガラス基板上のマグネシウム薄膜における、正規化されたレーザーエネルギーの角スペクトル信号です。

これらの値から、入射角の関数としての光トンネル効果の割合を求めることができます。この情報により、屈折率と厚さの推定が可能になります。この手順を行う際は、オイルや試料の中に気泡が形成されないように注意することが重要です。

このビデオを視聴することで、材料の光学特性を推定するためのEFPA法の使用方法について十分に理解できたはずです。