사라져가는 필드를 기반 Photoacoustics : 광학 특성 평가 표면에

이 광음향 기술 세트의 전반적인 목표는 액체, 고체 및 투명 박막의 광학적 특성을 하나의 통합된 장치로 특성화하는 것입니다. 이 방법은 추정 두께 및 굴절률과 같은 재료 특성화 분야의 주요 질문에 답하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이 기술의 주된 장점은 벌크 굴절률, 박막 굴절률, 두께 및 광학 흡수도를 단일 장치에서 측정할 수 있다는 점입니다.

실험을 시작하기 위해 일부 장비를 준비해야 합니다. 먼저, 본 프로토콜에서 사용된 10 megahertz 모델과 같은 초음파 트랜스듀서 두 개가 필요합니다. 각 트랜스듀서의 전면부에는 직경 9 mm, 두께 1 mm의 적색 라텍스 고무 실린더가 에폭시로 부착되어 있습니다.

기준 트랜스듀서 또한 음향 스페이서 역할을 하는 아크릴 블록에 에폭시로 고정합니다. 준비해야 할 또 다른 장비는 에반네센트 필드 기반 광음향(EFPA) 프리즘 홀더입니다. EFPA 프리즘 홀더는 프리즘 마운트와 트랜스듀서 마운트로 구성됩니다.

프리즘이 프리즘 마운트에 장착되어 있습니다. 트랜스듀서 마운트는 준비된 초음파 트랜스듀서 중 하나를 고정하여 라텍스 부분이 노출되도록 합니다. 프리즘과 트랜스듀서가 배치된 상태에서 프리즘 홀더의 두 부분을 결합하여, 샘플이 들어갈 간격을 사이에 두고 라텍스가 프리즘과 마주보게 합니다.

나사로 각 부품을 서로 고정합니다. 이 실험을 위한 나머지 장치는 이미 광학 벤치 위에 설치되어 있습니다. 빔은 큐 스위치 네오디뮴 돔 중수소 알루미늄 가넷 레이저에 의해 생성됩니다.

출력빔은 빔 확장기(beam expander)로 들어갑니다. 그 다음으로는 수동으로 조절 가능한 조리개가 배치됩니다. 다음 요소는 편광 빔 분할 큐브(polarizing beam splitter cube)입니다.

그 후 빔은 비편광 빔 분할기로 들어갑니다. 하나의 출력은 기준점으로 사용될 고정된 초음파 트랜스듀서로 향합니다. 빔 분할기의 다른 출력은 고정된 EFPA 프리즘 홀더 및 해당 트랜스듀서로 향합니다.

프리즘 홀더에서 나오는 빔은 빔 블록으로 들어갑니다. EFPA 프리즘 홀더는 적절한 위치 조정을 위해 XY theta 이동 스테이지에 장착되어 있습니다. 홀더의 각도는 컴퓨터로 제어되는 스테퍼 모터를 통해 변경할 수 있습니다.

실험 준비를 위해 레이저와 빔 확장기로 돌아갑니다. 렌즈를 사용하여 빔 확장 배율을 최소 3배 이상으로 설정하십시오. 빔의 크기는 트랜스듀서의 라텍스 흡수제보다 커야 합니다.

익스팬더 작업을 마친 후, 디지털 수평계를 사용하여 빔과 프리즘 홀더의 정렬을 맞춥니다. 프리즘 마운트의 평평한 면이 빔을 기준으로 0도가 되어야 합니다. 트랜스듀서, 오실로스코프 및 컴퓨터 제어 모니터를 연결하고 전원을 켭니다.

50 ohm BNC 케이블을 사용하여 기준 트랜스듀서를 오실로스코프의 0번 채널에 연결하십시오. EFPA 프리즘 마운트에 있는 트랜스듀서를 1번 채널에 연결하십시오. 정렬 단계에서는 반드시 적절한 레이저 안전 고글을 착용하십시오.

조절 가능한 조리개에서 빔의 직경을 1 mm로 줄입니다. 컴퓨터에서 실험 실행을 제어할 소프트웨어를 시작합니다. 소프트웨어를 사용하여 프리즘 마운트를 70도로 회전시킵니다.

측면에서 레이저 빔과 수직이 되도록 프리즘을 통해 내부를 들여다보고, 라텍스 위에 레이저 스폿이 보이는지 확인하십시오. 레이저 스폿이 트랜스듀서 위에 정확하게 위치할 때까지 XY theta 이동 스테이지를 수동으로 조정하십시오. 목표는 스폿이 라텍스의 중앙에 위치하게 하는 것입니다.

조리개로 돌아가 최대 개방 상태로 확장합니다. 컴퓨터에서 트랜스듀서의 에너지 측정값을 검토하십시오. 이 경우 빨간색 선은 기준이 되는 직접 레이저 에너지 측정값입니다.

파란색 선은 EFPA 프리즘 홀더의 트랜스듀서에서 측정된 값입니다. 두 측정값의 크기가 거의 동일한지 확인하십시오. 모든 설정이 올바르면 측정을 중단하며, 이후 계속 진행하기 전에 프리즘이 자동으로 0도로 리셋됩니다.

액체 시료를 분석하기 위해 전반사 광음향 분광법 기술이 사용됩니다. 시료는 물에 용해된 direct red dye 81입니다. 또한, 이 기술에는 프리즘과 굴절률이 일치하는 침수 오일과 프리즘 표면을 덮기 위한 기판으로서의 현미경 슬라이드가 필요합니다.

샘플을 배치하기 위해 EFPA 프리즘 홀더를 셋업에서 분리하여 엽니다. 먼저 프리즘을 준비하고, 그 중심에 2.5 µL의 침수유를 떨어뜨립니다. 그런 다음, 퍼져 있는 오일 층 위에 기질을 올립니다.

다음으로, EFPA 초음파 트랜스듀서 위의 라텍스로 이동합니다. 여기에 기포가 생기지 않도록 액체 시료 25 µL를 분주합니다. 이제 시료가 도포된 라텍스 위에 프리즘 오일 기판 조합을 올려 EFPA 홀더를 다시 조립합니다.

프리즘 홀더를 압착하고, 장착 나사로 어셈블리를 조입니다. EFPA 홀더가 준비되면 이를 실험 장치로 다시 가져옵니다. 광학 소자들 사이의 원래 위치에 EFPA 홀더를 다시 배치합니다.

데이터 수집을 시작하기 전에 모든 구성 요소가 준비되었는지 확인하십시오. 실험실 소프트웨어를 사용하여 샘플에서 생성된 음향 신호를 측정하고 표시하십시오. 데이터는 시간에 따른 피크-투-피크 전압을 나타냅니다.

POSS TUR POSS 굴절률 측정을 준비하기 위해, 설정된 EFPA 프리즘 홀더를 다시 사용합니다. 홀더를 분리하여 프리즘과 트랜스듀서의 라텍스를 노출시킵니다. 샘플, 프리즘과 굴절률이 일치하는 침지유, 그리고 프리즘 표면을 덮을 기판을 준비합니다.

프리즘 중앙에 2.5 µL의 침지유를 도포합니다. 오일 층 위에 기판을 올려 오일을 샌드위치 형태로 고정합니다. 마운트에 장착된 트랜스듀서로 이동하여 라텍스 패드 위에 25 µL의 샘플 염료를 넣습니다.

이 과정이 완료되면, 오일과 기질이 포함된 프리즘 마운트를 라텍스 또는 트랜스듀서 위에 올립니다. 두 마운트를 함께 압착하고 장착 나사로 고정합니다. 설정 내에 EFPA 프리즘 홀더가 배치되면, 컴퓨터 제어 소프트웨어로 전환합니다.

스펙트럼을 측정할 입사각의 범위와 단계 크기를 입력하십시오. 프로그램을 실행하여 스펙트럼을 측정하고, 이를 각도의 함수로서 피크-투-피크 전압으로 플롯하십시오. 측정된 스펙트럼을 사용하여 소프트웨어로 각도에 대한 수치 도함수를 구하고 그래프로 나타내십시오.

수치 미분으로 얻은 매끄러운 데이터를 사용하여 국소 최솟값과 그에 해당하는 입사각을 수동으로 식별하십시오. 최솟값은 POSS 영역에서 TUR POSS 영역으로의 전이를 나타냅니다. EFPA 프리즘 홀더를 조작하여 광학 터널링 광음향 분광법 측정을 위한 준비를 하십시오.

프리즘과 트랜스듀서 마운트를 분리해 두고, 프리즘에 맞춘 굴절률 매칭용 침전유를 준비합니다. 시료는 유리 슬라이드 위에 증착된 얇은 불화마그네슘 박막입니다. 프리즘 중앙에 침전유 2.5 µL를 도포합니다.

오일을 도포한 후, 박막이 프리즘 반대 방향을 향하도록 시료를 배치하고 시료를 오일 위에 올립니다. 트랜스듀서 마운트의 라텍스 패드 위에 25 µL의 침전 오일을 도포하여 기포가 생기지 않도록 표면 전체를 덮습니다. 라텍스를 시료에 접촉시킨 후, 고정 나사를 조여 조립체를 압착합니다.

EFPA 홀더를 광학 장치에 다시 설치하고 실험을 수행할 준비를 합니다. 컴퓨터에서 각도 스펙트럼 측정을 위한 파라미터를 입력하고 측정을 시작합니다. 전반사 광음향 분광법(total internal reflection photoacoustic spectroscopy)으로 얻은 이 데이터는 흡수 시료에서 발생한 음파를 나타냅니다.

본 사례에서는 물에 녹인 red dye 81을 사용하였습니다. 샘플과 유리 기판 사이의 계면에서 음향 임피던스 차이가 크기 때문에 음향 반사가 일어나며, 이로 인해 파동의 양극성 특성이 나타납니다. POSS TUR POSS 기술은 각도 스펙트럼을 생성합니다.

smooth에서 수치 미분을 수행하면, 국소 최솟값이 측정된 임계각에 해당합니다. 이 각도를 알면 실험에 사용된 레이저 파장에서의 벌크 굴절률을 계산할 수 있습니다. 이는 NBK-7 광학 유리 기판 위의 마그네슘 박막에 대한 정규화된 레이저 에너지 각분광 신호입니다.

입사각의 함수로서 광학 터널링 백분율을 이러한 값들로부터 구할 수 있습니다. 이 정보는 굴절률과 두께의 추정을 가능하게 합니다. 이 절차를 수행하는 동안 오일이나 샘플 내에 기포가 형성되지 않도록 주의하는 것이 중요합니다.

본 영상을 시청함으로써, 이제 재료의 광학적 특성을 추정하기 위해 EFPA 방법을 사용하는 방법에 대해 충분히 이해하셨을 것입니다.