Name: Evanescent Field Gebaseerd Fotoakoestiek: Optical Property Evaluatie aan oppervlakken (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-07-26T13:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 21 s
Description: Leer evanescent field fotoakoestiek om optische eigenschappen van vloeistoffen, vaste stoffen en dunne films te karakteriseren in één geconsolideerd apparaat. Deze methode meet brekingsindex, dikte en optische absorptie.

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

Dit project werd gefinancierd door de National Science Foundation BRIGE Award (1.221.019).

1. Het opzetten van het systeem <ol><li> Gebruik cyanoacrylaat epoxyhars een 9 mm diameter, 1 mm dikke rode latex rubberen cilinder zich aan het voorvlak van een 10 MHz ultrasone transducer en gebruiken cyanoacrylaat epoxyhars een 9 mm diameter, 1 mm dikke rode latex rubber cilinder een dikke 6 mm hechten acrylblok die vervolgens op dezelfde wijze wordt Epoxied de verwijzing ultrasone transducer op te treden als een akoestische afstandhouder. </li><li> Het opzetten van een optische trein die een bundel expander heeft geraakt wordt door de laser eerste. Plaats dan een met de hand instelbare diafragma tweede. Uiteindelijk gebruik een polariserende bundelsplitser kubus als derde element en plaats de ultrasone transducer in de EFPA prismahouder en de transducer in de EFPA prismahouder aan elke uitgang van de niet-polariserende bundelsplitser. Opmerking: De polariserende bundelsplitser kubus wordt gebruikt om een ​​zuivere, enkele polarisatie excitatie waarborgen is kritisch voor de juiste werking van EFPA technieken. </li><li> Vouw de uitgaafing laserstraal gebruikt lenzen een bundelexpander van ten minste 3x de Q-switched Nd maken: YAG laser. Opmerking: De balk is opzettelijk oversized ten opzichte van de latex absorber op het monster transducer om een ​​goede sensor-functie ondanks laserlicht te garanderen lopen uit als gevolg van breking door het prisma op verschillende invalshoeken. </li><li> Lijn de optische trein en EFPA prisma houder zodanig dat de platte kant van de berg het dichtst bij het prisma wordt ingesteld op een 0 ° hoek met behulp van een digitaal niveau. Dit zorgt voor een juiste uitgangspunt voor de hoekige spectrum gegevens die worden verzameld tijdens de experimenten. </li><li> Sluit en macht op externe apparaten zoals de oscilloscoop, stappenmotor driver op de computer, de ultrasone omvormers en XY fase motoren. Fysiek sluit de transducer niet in het EFPA prisma monteren aan CH0 en fysiek sluit de transducer in de EFPA prisma monteren op kanaal 1 via 50 ohm BNC-kabels. De software is voorgeprogrammeerd om te herkennencoustic signalen van deze specifieke kanalen. </li></ol> 2. EFPA Systeeminitialisatie en optische uitlijning <ol><li> Stel handmatig instelbaar diafragma op de balk tot een diameter van 1 mm te blokkeren. </li><li> Start de programmeersoftware (bijvoorbeeld LabVIEW), zet de hoek tot 70 ° door op de &quot;move&quot; groene knop om de berg te verplaatsen naar de hoek die nodig is voor 70 ° excitatie bij het ​​prisma / sample interface. </li><li> Gebruik van geschikte laserveiligheidsbril (OD 7+ bij 532 nm), onderzoeken de prisma vanaf de zijkant loodrecht op de laserstraal handmatig het podium bewegen in de X- en Y-assen met de handwielen tot 1 mm laserspot fluorescentie zichtbaar het rubberlatex. Zorgen dat de bundel midden op de latex. </li><li> Vouw de manueel verstelbare opening op de maximale opening en kijk naar de lopende voorpaneel van het programma om zowel de laserenergie meting fotoakoestische signaal van de EFPA prisma mount te waarborgen (rode lin) en de fotoakoestische signaal van de laserenergie meting zijde (witte lijn) toegankelijk zijn en ongeveer dezelfde amplitude. </li><li> Stop het programma door te drukken op de &quot;STOP&quot; knop. Let op: Als de knop niet ingedrukt wordt het prisma moet handmatig worden gereset voordat de voortzetting van de testen. Zodra de initialisatie protocol is voltooid, kan TIRPAS, PAS / TIRPAS refractometer of OTPAS worden uitgevoerd. </li></ol> 3. TIRPAS Techniek <ol><li> Plaats het prisma in de kunststof prisma montageadapter zie figuur 3. Plaats vervolgens 2,5 ui immersieolie index aangepast aan het type prisma gebruikt, op het midden van het prisma en sandwich de olie door een substraat bovenop de olielaag. </li><li> Breng 25 gl van het monster latex aangesloten op de omzetter de EFPA transducersteun zoals getoond in figuur 3 zodat deze bedekt het gehele oppervlak zonder blaasvorming. Het monster kanzijn elk optisch absorberende materiaal zoals een oplossing van kleurstof, een biologische vloeistof, of een analyt gesuspendeerd in een oplossing. Geen voorbereiding van het monster nodig is. Druk de prisma monteren en draai de berg samen met de bevestigingsschroeven om een ​​set koppel van 16,75 g / mm voor elke schroef. </li><li> Selecteer het tabblad &quot;Instellingen&quot; en selecteer &quot;Setup&quot; op het drop-down menu. </li><li> Start het programma met de titel OTPAS dunne film analyzer_USB-5133.vi (aanvullend File). </li><li> Bekijk het akoestische signaal dat door het monster zoals weergegeven in figuur 4. Opmerking: De invalshoek kan worden veranderd om de optische penetratiediepte van het verdwijnende veld besturen dunnere of dikkere optische secties van het monster nemen. </li></ol> 4. PAS / TIRPAS Refractometrie <ol><li> Plaats het prisma in de kunststof prisma montageadapter zie figuur 3. Plaats vervolgens 2,5 ui immersieolie index aangepast aan het type prisma gebruikt, op the midden van het prisma en sandwich de olie door een substraat boven de olielaag. </li><li> Plaats 25 ul van het monster op de rubber stuk is aangesloten op de transducer in de EFPA transducer monteren zoals weergegeven in figuur 3. Druk de prisma monteren en draai de berg samen met de bevestigingsschroeven om een set koppel van 16,75 g / mm voor elke schroef. </li><li> Selecteer het tabblad &#39;Angular Spectrum &quot;en selecteer&quot; Angular Spectrum &quot;op het drop-down menu. Voer daarna de juiste parameters in het programma zoals getoond in tabel 1. </li><li> Start het programma en wacht tot de hoekige spectrum is afgerond en het programma is afgelopen. </li><li> Klik met de rechtermuisknop op de hoekige spectrum grafiek en kies &quot;exporteren → Exporteren naar Excel&quot; om de gegevens op te slaan en het CSV-bestand te openen. <ol><li> Open deze gegevens in een grafische opleiding (bijv KaleidaGraph), en het uitvoeren van een numerieke afgeleide erop te klikken op &quot;Macro&#39;s&quot; en het selecteren &amp; #34; Derivative &quot;. Voer de betreffende kolommen aan de afgeleide nemen en druk op&quot; Okay &quot;en de numerieke afgeleide zal worden berekend. </li><li> Grafiek De numerieke afgeleide vs. hoek en selecteer &quot;Curve fit&quot;. Selecteer de &quot;Smooth&quot; optie 5,18,98 en selecteer het selectievakje van de gegevens op grond van &quot;Curve fit selecties&quot; aan te passen om ruis te glad uit de gegevens. Selecteert u de pijl down under &quot;View&quot; en selecteer &quot;Copy curve fit om het venster gegevens&quot; om de curve fit gegevens uit te pakken naar een andere kolom. </li></ol></li><li> Handmatig te zoeken door middel van de curve fit aan de lokale minimum en de bijbehorende invalshoek dat een overgang van de PAS aan TIRPAS regimes geeft te vinden. Dit minimum komt overeen met de gemeten kritische hoek, zie figuur 5. De vergelijking monster n = n prisma sin θ c Bereken het grootste brekingsindex van het onbekende monster bij de golflengte gebruikt voor laser verhoor. Typische resultaten zijn in tabel 1. </li></ol> 5. OTPAS <ol><li> Plaats 2,5 pl immersieolie (index aangepast aan glassoort gebruikt) in het midden van het prisma. </li><li> Plaats de film of substraat te beproeven film naar boven (van de prisma) en voorkomen dat bellen worden gevormd tijdens plaatsing. Opmerking: Als er bellen te vormen, te verwijderen filmmonster of substraat en opnieuw te proberen applicatie. </li><li> Plaats 25 ul van immersie olie op de latex, zodat de immersie olie bedekt het gehele oppervlak zonder blaasvorming. </li><li> Comprimeer het substraat / filmlagen zoals getoond in figuur 3. Draai de schroeven een ingestelde draaimoment van 16,75 g / mm die identiek zijn voor elke schroef moet zijn. Opmerking: momentsleutel in protocol is in oz.-in., dus 16,75 g / mm ~ 15 oz.-in. </li><li> Selecteer het tabblad &#39;Angular Spectrum &quot;en selecteer&quot; Angular Spectrum&#39; op de drop down mannenu. Voer daarna de juiste parameters in het programma zoals getoond in tabel 3. </li><li> Start het programma en wacht tot de hoekige spectrum is afgerond en het programma is afgelopen. </li><li> Voer de test door stappen 5,1-5,6 met het substraat of film (wat niet eerder is uitgevoerd) zoals getoond in figuur 6. </li><li> Selecteer &quot;Curve Fitting&quot; in de drop down box en selecteer het tabblad &quot;Curve fitting&quot;. Voer daarna de juiste parameters zoals weergegeven in tabel 5. Selecteer de film scan onder &quot;Voorbeeld&quot;. Selecteer het substraat scan onder &quot;substraat&quot;. </li><li> Voer de brekingsindex, polarisatie, en andere opties voor de scans eerder uitgevoerd in stappen 5,1-5,6 zoals in tabel 4. </li><li> Start het programma door in het drop down box &quot;Curve Fitting&quot; selecteren en het tabblad &quot;Curve Fitting&quot;. Let op de brekingsindex en de dikte onder4;. Film RI &quot;en&quot; Dikte van de film &quot;getoond in de rechterbovenhoek van de grafische user interface van het programma Typisch data wordt weergegeven in figuur 7. </li><li> Gebruik de optie &#39;Batch fit &quot;voor veel scans te passen in een keer door het invoeren van het aantal scans tot partij pasvorm en een CSV-bestand te selecteren om de output van de gegevens aan en herhaal stap 5.10. Let op: Als het programma wordt uitgevoerd zal het elke set van gegevens en output alle brekingsindex, dikte en restwaarden aanpassen aan het CSV. Om dit te laten werken, moet de scans in een numerieke lijst zoals scan_001.csv, scan 002.csv, etc. </li></ol>

De auteurs verklaren dat ze geen concurrerende financiële belangen.

Het gebruik van apparaten voor de karakterisering van materialen op nanoschaal zal ongetwijfeld tot ver in de toekomst doorgaan om nieuwe materialen en combinaties van materialen te produceren om moeilijke en kostbare maatschappelijke problemen op te lossen. Veel methoden zoals ellipsometrie, atoomkrachtmicroscopie (AFM) en traditionele foto-akoestiek worden momenteel gebruikt om materiaaleigenschappen op nanoschaal te evalueren, ondanks hun inherente beperkingen vanwege weinig alternatieven. EFPA toont belofte als een geconsolideerd set van technieken die verder kunnen gaan dan de typische beperkingen van het foto-akoestische effect om een enkel instrument te bieden om materialen op nanoschaal te karakteriseren.
Het hier beschreven protocol en de bijbehorende subtechnieken hebben de mogelijkheid om zowel de bulk- als dunne filmbrekingsindex van een materiaal te schatten, filmdikte en hebben detectiemogelijkheden voor een verscheidenheid aan biosensing-toepassingen. OTPAS heeft specifiek het voordeel dat het de dikte en brekingsindex van films op nanometerschaal kan schatten, ondanks het feit dat de films zelf geen inherent absorberende pigmentatie bevatten. EFPA als een geconsolideerd set van technieken heeft een paar voordelen ten opzichte van technieken zoals ellipsometrie, atoomkrachtmicroscopie en het traditionele foto-akoestische effect. Het eerste voordeel is dat EFPA relatief goedkoop is om op te zetten. Een typische EFPA-opstelling kan de brekingsindex van zowel de bulk als het oppervlak schatten, kan de dikte schatten en kan absorberende materialen onderzoeken en kost ongeveer $5.000 om op te zetten. In vergelijking daarmee kosten AFM-opstellingen ongeveer $50.000 en kunnen ze geen optische eigenschappen schatten. Ten tweede kan EFPA deze eigenschappen binnen enkele minuten schatten zonder complexe interactie zoals in ellipsometrie waar fout in de invoerparameters verschillen in resultaten kan veroorzaken. Ten slotte heeft EFPA, in vergelijking met het traditionele foto-akoestische effect, een axiale resolutie 100x kleiner omdat het de dikte van 200 nm films6 kan schatten, terwijl het traditionele foto-akoestische effect beperkt is tot 7.500 nanometer bij gebruik van vergelijkbare lasers en opstelling82. Handig is dat bijna elk materiaal onafhankelijke en verschillende oppervlakte- en bulkbrekingsindexeigenschappen heeft, evenals absorptieve eigenschappen, die samen functionele verschillen veroorzaken in hun gebruik in optische onderzoekssystemen.
Kritieke stappen binnen het protocol komen neer op drie primaire overwegingen. Ten eerste is optische koppeling van het monster, of het nu een vloeistof of een film is, cruciaal om betrouwbare en herhaalbare resultaten te verkrijgen. Luchtbellen in de immersieolie of het monster leiden tot onnauwkeurige karakterisering van de dikte, brekingsindex en in sommige gevallen een volledige gebrek aan gevoeligheid van de transducer voor het geëxciteerde monster, vanwege het onvermogen van ultrageluid om adequaat door een vloeistof/lucht-interface te passeren als gevolg van zeer verschillende akoestische impedantiewaarden. Ten tweede, met betrekking tot OTPAS, moet een monster homogeen dik zijn in het gebied dat wordt bestraald door de laserstraal om consistente diktewaarden tijdens het scannen te bieden, aangezien EFPA nog niet in staat is om dikteverschillen binnen het gebied van excitatie te bepalen. Ten slotte, weer met betrekking tot OTPAS, moet het monsterfilm transparant zijn voor de gebruikte golflengte. Dit is een fundamentele aanname die wordt gemaakt in de wiskundige vergelijkingen die beschrijven hoe OTPAS dikte en brekingsindexwaarden vindt. Als de absorptie substantieel genoeg is dat meer dan 1% van het invallende licht wordt geabsorbeerd door de film, zal de karakterisering niet overeenkomen met de werkelijke dikte en brekingsindexwaarden van de film.
Aanpassingen aan de EFPA-techniek kunnen relatief eenvoudig worden gemaakt en andere soorten componenten kunnen worden vervangen voor effectievere scans of functionaliteit. De enige grote problemen die moeten worden aangepakt bij het bouwen van een EFPA-systeem zijn de volgende. Ten eerste is het cruciaal om een methode te hebben om automatisch een prisma-montage te draaien en akoestische signalen te verwerven bij kleine (0,05 graden) incrementen. Ten tweede, een lasersysteem met een nanoseconde-pulsbreedte of korter om monsters te exciteren met behulp van het foto-akoestische effect. Ten derde, een grafische gebruikersinterface of programma om de gegevens te verzamelen om wiskundige curvefitting en numerieke afgeleiden te doen voor het schatten van dikte en bulk/dunne filmbrekingsindex.
Er zijn drie fundamentele beperkingen voor EFPA. De eerste is dat om de bulkbrekingsindex, dunne filmbrekingsindex, dikte of materialen te detecteren met behulp van TIRPAS, het monster een brekingsindex moet hebben die lager is dan die van het prisma of substraat waarmee het in contact staat, zodat totale interne reflectie kan optreden, wat de basis is van al deze drie technieken. De tweede beperking is dat EFPA momenteel fysiek contact vereist om dikte, brekingsindex en voor detectie van eigenschappen te schatten. De laatste beperking is dat OTPAS, een subtechniek van EFPA, momenteel optisch transparante materialen vereist om de dikte en brekingsindex van de belangrijke dunne film te schatten.
Dit type geconsolideerd instrument zou veel toepassingen kunnen vinden in karakteriseringsomgevingen, inclusief onderzoekskernen en industriële omgevingen. Toekomstig werk met betrekking tot EFPA-technieken is gericht op de verbetering van de brekingsindexnauwkeurigheid door verbeteringen in instrumentatie en translationele/rotatiefasen. Aanvullende vooruitgang zal zich richten op de verbetering van de signaal-ruisverhouding voor de detectie van kleinere hoeveelheden absorberende materialen, om zwak absorberende materialen te karakteriseren, zoals die het meest voorkomen in biologische systemen.

Vooruitgang in het begrijpen van optische materialen 1,3,4,6,7,10,13-16 nieuwe inzichten verschaft in de creatie van dunne filmmaterialen voor tal van optische inrichtingen, inclusief antireflectiedeklagen over lenzen, optische hoge extinctieverhouding filters, en zeer absorberende plaat golfgeleiders 17. Deze ontwikkelingen zouden niet mogelijk zijn zonder het gebruik van veel karakterisatietechnieken, zoals ellipsometrie 4,6,18, Contacthoekmeting, atomic force microscopie 7,11,19 en scanning / transmissie elektronenmicroscopie, die helpen bij de iteratieve verbetering van deze technologieën door directe maatregelen of indirecte schattingen van de fundamentele optische eigenschappen van het materiaal. Genoemde eigenschappen, zoals de brekingsindex, bepalen hoe de stoffen interageren met invallende fotonen, die de functie en het gebruik in optische toepassingen direct beïnvloedt. Echter, elk van deze technieken heeft beperkingen betreffende resolutiestie, monstervoorbereiding, kosten en complexiteit, en elk genereert alleen een subset van de data nodig voor het volledig karakteriseren van het materiaal. Dat gezegd zijnde, een nieuwe reeks technieken, bekend als evanescent veld-gebaseerde Fotoakoestiek (EFPA) 5,6,15,18,20-49 zoals getoond in figuur 1, heeft het potentieel om materiaaleigenschappen te schatten op nanoschaal in een geconsolideerde aantal experimenten. EFPA omvat de sub-technieken van de totale interne reflectie fotoakoestische spectroscopie (TIRPAS) 23,25,26,33-35,43-45, fotoakoestische spectroscopie / totale interne reflectie fotoakoestische spectroscopie refractometer (PAS / TIRPAS refractiemethode) 18, en optische tunneling fotoakoestische spectroscopie (OTPAS) 6, en is gebruikt om bulk en dunne film brekingsindex laagdiktes schatten, evenals absorberende materialen op een prisma / sample of substraat / monsterscheidingsvlak detecteren. Om het mechanisme EFPA begrijpen,moet eerst begrijpen het begrip fotoakoestische spectroscopie (PAS), dat betrekking heeft op de generatie van ultrasone drukgolven door de snelle thermo-elastische uitzetting van een chromofoor na de absorptie van een ultrakorte (&lt;psec) lichtpuls (figuur 1). Theoretische en wiskundige kader voor de fotoakoestische effect besproken in dit document kan hier 50-59 worden verkregen. De resulterende drukverandering kan worden gedetecteerd door een ultrasone transducer of microfoon. De fotoakoestische effect, oorspronkelijk ontdekt in 1880 met de uitvinding van photophone Alexander Graham Bell, werd &#39;herontdekt&#39; in de vroege jaren 1970 als gevolg van ontwikkelingen in de laser en microfoon technologie, en uiteindelijk in praktisch gebruik te maken aan niche-toepassingen van biomedische beeldvorming naar dunne film te vullen analyse om niet-destructief testen van materialen. 1,53-57,59-82 Dit effect kan mathematisch worden beschreven met één-dimensionale golfvergelijkingen, waarbij the golf is een eenvoudige akoestische bron waarvan de druk (p) varieert in beide posities (x) en tijd (t): <img alt="Equation1" src="/files/ftp_upload/54192/54192equation1.jpg" /> oplossingen voor eenvoudige akoestische bronnen van de vorm 64 <img alt="Equation2" src="/files/ftp_upload/54192/54192equation2.jpg" /> waarbij p druk Γ = av s 2 / Cp waarbij α = het volume thermische uitzettingscoëfficiënt, v s de geluidssnelheid in het medium, en Cp de warmtecapaciteit bij constante druk, H 0 is de bestralingsdosis van de laserbundel, c de geluidssnelheid in het medium opgewonden, x lengte, en t de tijd. De grootte van de resulterende akoestische golf steunt direct op de optische absorptiecoëfficiënt van het materiaal, een p, which is de inverse van de optische indringdiepte δ, die op zijn beurt een maat voor de afstand die het licht reist totdat weggestorven 1 / e van de oorspronkelijke optische intensiteit. Terwijl Vergelijking (1) een algemene vergelijking voor een eendimensionale vlakke golf bron, zal typisch een absorberende bolvormige akoestische golven in drie dimensies uitstoten. Voorbij de mathematische beschrijving, toepassingen van de fotoakoestische effect 54 omvat een groot beeldvormingsmodaliteiten zoals microscopie, tomografie, en zelfs moleculaire beeldvorming vanwege de fotoakoestische effect met een hoge gevoeligheid door het grote optische absorptie als gevolg van nature aanwezige chromofoor hemoglobine. Andere toepassingen van de fotoakoestische effect hebben zelfs de schatting van verschillende dunne film eigenschappen 15,16,20,21,24,26-32,36-39,41,42,56,83,84. Echter, PAS heeft bepaalde beperkingen: (1) een omvangrijke optische indringdiepte elimineert de mogelijkheid near-field optische eigenschappen sonde aan oppervlakken (2) iss doelmatigheid van het vangen van de uitgezonden akoestische energie is laag door richtingscoëfficiënt van de meerderheid van de energie vanaf de detector (3) monsters chromoforen bij een golflengte regime beschouwde omvatten. In combinatie met oneindig kleine veld-gebaseerde technieken zijn echter veel van deze beperkingen kunnen worden verbeterd. Het verdwijnende veld wanneer een lichtstraal ondergaat totale interne reflectie (TIR), zoals beschreven door Snell&#39;s Law, welk effect ook mogelijk vezeloptische golfgeleiders licht grote afstand (km) voor berekening en telecommunicatietoepassingen begeleiden. In praktische toepassingen, is het verdwijnende veld gebruikt in een verscheidenheid van karakterisatie en beeldvorming technieken, waaronder verzwakte totale reflectie spectroscopie (ATR). Beeldvorming wordt bereikt met hoog contrast als gevolg van de opsluiting van het licht binnen de eerste paar honderd nanometer in het monster van belang. De verdwijnende veld heeft de vorm van een exponentially decaying gebied dat zich uitstrekt in de externe medium een ​​optische penetratiediepte die typisch in de orde van de golflengte wordt gebruikt (meestal ~ 500 nm of minder) zoals getoond in de vergelijkingen 3 en 4. <img alt="Equation3" src="/files/ftp_upload/54192/54192equation3.jpg" /> waarbij I de lichtintensiteit% op een locatie z van het prisma / monsterscheidingsvlak, I 0 is de oorspronkelijke intensiteit licht in% aan het grensvlak, z afstand nanometer en δ p de optische indringdiepte Volgens vergelijking 4. met een dergelijke kleine optische indringdiepte het verdwijnende veld kan samenwerken met de omgeving zeer dicht bij het grensvlak van de twee materialen, en duidelijk onder de optische en akoestische diffractie grenzen. De optische eigenschappen van materialen of deeltjes in dit bereik kan het veld verstoren of wijziging in de generatie, die interactie met een verscheidenheid aan werkwijzen 3 kan worden gedetecteerd,5,6,10,15,17,18,21,23,25-27,29-47,84-95. Wanneer verdwijnende technieken worden gecombineerd met PAS, kunnen de foto-akoestische golfvormen geproduceerd worden gebruikt om materialen of deeltjes interactie met het verdwijnende veld te karakteriseren, waardoor het oneindig kleine veld-gebaseerde Fotoakoestiek (EFPA) groep technieken, zoals weergegeven in figuur 1. Deze familie omvat, maar niet beperkt tot, totale interne reflectie fotoakoestische spectroscopie (TIRPAS), optische tunnel fotoakoestische spectroscopie (OTPAS) en oppervlakte plasmon resonantie fotoakoestische spectroscopie (SPRPAS). De geïnteresseerde lezer moet verwijzen naar de volgende referenties voor afleidingen van de vergelijkingen gebruikt voor TIRPAS 5,6,18,23,25,26,33-35,43-47, PAS / TIRPAS refractometrie 18 en OTPAS 6. In elk geval wordt het effect fotoakoestische gegenereerd door een ander aandrijfmechanisme dan eenvoudige doorlating door een prisma; bijvoorbeeld in TIRPAS, het licht is evanescentlygekoppeld door een prisma / substraat / sample interface in de chromoforen (die de sample materiaal zelf, of gast moleculen in het monster kunnen zijn), terwijl in SPRPAS, de primaire wijze van excitatie is in plaats daarvan door de absorptie van een surface plasmon, dat is een secundaire EM golf gemaakt wanneer de energie van het verdwijnende veld wordt overgebracht in de elektronenwolk van een metaallaag afgezet op het prisma oppervlak. Deze familie van technieken werd oorspronkelijk uitgevonden in de vroege jaren 1980 door Hinoue et al., En op door T. Inagaki et al verbeterd. Met de uitvinding van SPRPAS, maar zag heel weinig ontwikkeling als gevolg van technische beperkingen van de lichtbronnen en de beschikbare detectie-apparatuur . Recenter hebben eerdere onderzoeken aangetoond dat verhoogde gevoeligheid en utility mogelijk moderne polyvinylideenfluoride (PVDF) ultrasone detectors en Q-geschakelde neodymium gedoopte yttrium-aluminium-granaat (Nd: YAG) lasers. Specifiek nanoseconde gepulseerde Nd: YAGlasers resulteren in een 10 6-voudige verhoging van het piekvermogen dat EFPA technieken toelaat om nuttige instrumenten geworden voor het evalueren van de optische eigenschappen van verschillende materialen en interfaces 5,6,15,18,21-29,31-47,84 , 96. Daarnaast is eerder werk verder getoond het vermogen van dergelijke technieken om structurele informatie over materialen tot een interface, die worden bereikt met traditionele fotoakoestische spectroscopie (PAS) technologieën voorheen nooit bepalen vanwege de relatief grote indringdiepte 53,55,57,59, 61,62,69,73,75,80,81. Deze mogelijkheid wordt in de protocollen die volgen onder OTPAS techniek; echter op een fundamenteel niveau de drie technieken elk steunen op een andere definitieve vergelijking, die de mogelijkheden van de techniek bepaalt. Bijvoorbeeld, in TIRPAS de optische penetratiediepte van het verdwijnende veld, δ &#39;p, vooral drijft de resulterende akoestischesignaalintensiteit een absorberende monster, en wordt beschreven door: <img alt="Equation4" src="/files/ftp_upload/54192/54192equation4.jpg" /> waarbij λ 1 is de golflengte van licht dat door het prisma medium en wordt gedefinieerd met de vergelijking λ λ = 1 / n 1 waarin n 1 is de brekingsindex van het prisma materiaal. Bovendien, θ verwijst naar de hoek van excitatie en n 21 verwijst naar de verhouding van de brekingsindices van elk medium en wordt gedefinieerd door n = 21 n 2 / n 1, waarbij n2 de brekingsindex van het monstermateriaal. Hoe groter de optische penetratiediepte, hoe meer materiaal wordt bestraald. Voor de fotoakoestische effect, hoe groter de optische indringdiepte, hoe meer materiaal wordt geëxciteerd dat akoestische golven leiden tot een grotere akoestische signaal kan produceren. <pclass = &quot;jove_content&quot;&gt; In tegenstelling tot TIRPAS echter in PAS / TIRPAS Refractometrie de primaire vergelijking is de wet van Snell: <img alt="Equation5" src="/files/ftp_upload/54192/54192equation5.jpg" /> waarbij n 1 is de brekingsindex van het prisma, θ 1 is de invalshoek op het prisma / monsterscheidingsvlak, n2 de brekingsindex van het monster en θ 2 is de hoek van het licht dat is gebroken door de tweede medium. De gevoeligheid van het schatten van de brekingsindex van een materiaal wordt voornamelijk gedreven door de nauwkeurigheid van de schatting van θ 1. totale interne reflectie die wordt bereikt wanneer θ 1 is boven de kritische hoek die een verdwijnende veld genereert, sin θ 2 = 1 en daarom vergelijking 5 reduceert tot n 2 = n 1 sinθ 1. (Let op: θ 1 =θ kritische) kennen van de hoek waaronder de numerieke afgeleide (dP / dθ waarbij P het piek tot piek spanning van de fotoakoestische signaal en θ is de invalshoek van het licht met het monster) van het fotoakoestische signaal een lokale minima toelaat voor de schatting van θ 1 waarmee de gebruiker die opgelost n 2 en daarmee schat de grootste brekingsindex van een monster zoals weergegeven in figuur 1. Ten slotte OTPAS, de volgende vergelijking betrekking optische transmissie% tot fotoakoestische piek-piek spanning van: <img alt="Equation6" src="/files/ftp_upload/54192/54192equation6.jpg" /> waarbij T het percentage optische transmissie, p is de piek-tot-piek spanning die door het hoekspectrum van een substraat met een film erop, p 0 is de piek-tot-piek spanning die door het hoekspectrum ofa substraat β is de koppelingsconstante basis van de brekingsindex van prisma en de immersie olie, α is de dempingsfactor, en is een factor die dikte en de brekingsindex van het filmmonster in het verdwijnende veld omvat. De gevoeligheid van deze techniek op dikte en brekingsindex wordt bepaald door de nauwkeurigheid van schatten van de piek akoestische signaal intensiteiten, p en p 0 pieken op elke hoek van inval in het hoekspectrum. Het is aangetoond dat β rechtstreeks worden berekend op basis van de brekingsindex van het prisma en immersie olie; derhalve is een eenvoudige taak om de optische transmissie bij elk invalshoek berekenen en pak vervolgens een schatting van de brekingsindex en dikte van de film door middel van statistische analyse curve fitting. De geïnteresseerde lezer moet verwijzen naar Goldschmidt et al. Voor meer informatie. 5,6 THij EFPA systeem is een systeem fotoakoestische kan het schatten van de dikte, dunne film brekingsindex bulk brekingsindex, en het genereren van akoestische signalen door optische absorptie voor detectie. Het systeem omvat een laser, een optische trein naar de lichtgeleider om de prisma / monster en de laserenergie meting zijde. De laser energiemeting zijde wordt gebruikt om de fotoakoestische signaal naar de invallende laserenergie normaliseren zie figuur 2. Het EFPA wordt aangedreven door een stappenmotor bestuurder de prisma roteren / monster voor de hoekige spectra PAS / TIRPAS refractometrie en OTPAS . Het systeem verkrijgt gegevens via een digitale acquisitie kaart en biedt een gebruiksvriendelijke interface en geautomatiseerde stadium controle door middel van een in-house programma.

<table><tbody><tr><td>100 mm plano convex lens</td><td>Thorlabs</td><td>LA1509</td><td>Plano convex lens voor bundelaanzetter</td></tr><tr><td>-30 mm plano concave lens</td><td>Thorlabs</td><td>LC2679</td><td>Plano concave lens voor bundelaanzetter</td></tr><tr><td>10 MHz Ultrasone transducers</td><td>Harisonic</td><td>I31006T</td><td>Ultrasone sensoren gebruikt voor fotoakoestische detectie, zowel voor laser energie meting als voor OTPAS montage</td></tr><tr><td>Immersie olie Type A</td><td>Cargille</td><td>16482</td><td>Index van 1.519 om overeen te komen met die van NBK-7 substraten</td></tr><tr><td>Natuurlijk latex rubberblad (rood)</td><td>McMastercarr</td><td>86085K11</td><td>Index ~1.519 om overeen te komen met Type A immersievloeistof om te fungeren als optische absorber om optische tunneling en laser energie te meten</td></tr><tr><td>Laserbril</td><td>VERE</td><td>53</td><td>Gebaten om ogen te beschermen tegen laserlicht</td></tr><tr><td>In kooi gemonteerde niet-polariserende bundelsplitser kubus</td><td>Thorlabs</td><td>CM1-BS013</td><td>Splitst laserlicht zodat de ene helft kan worden gemeten en de andere helft kan worden gebruikt voor excitatie</td></tr><tr><td>In kooi gemonteerde polariserende bundelsplitser kubus</td><td>Thorlabs</td><td>CM1-PBS251</td><td>Zorgt ervoor dat licht gepolariseerd is voordat het wordt gebruikt voor optische tunneling experimenten</td></tr><tr><td>Geleidde ring geactiveerde iris diafragma</td><td>Thorlabs</td><td>SM1D12C</td><td>Verkleint bundel tot een kleinere grootte voor uitlijning</td></tr><tr><td>Data-acquisitiekaart</td><td>National Instruments</td><td>USB-5133</td><td>USB oscilloscoop om data te verwerven</td></tr><tr><td>Stepper motor driver</td><td>National Instruments</td><td>MID-7604</td><td>Stepper motor driver om stepper motoren te aansturen voor hoekspectrum</td></tr><tr><td>Sherline XY stage (14&rdquo;)</td><td>Sherline</td><td>5600-CNC/5610-CNC</td><td>Sherline XY stage</td></tr><tr><td>4-kaak zelfcentrerende spantang</td><td>Sherline</td><td>1076/1034</td><td>Sherline rotatie-aansluiting</td></tr><tr><td>Rechtshoekige aansluiting</td><td>Sherline</td><td>3701</td><td>Rechtshoekige aansluiting om rotatiemontage te bevestigen</td></tr><tr><td>CNC draaitafel</td><td>Sherline</td><td>8730</td><td>Draaitafel voor het vasthouden van OTPAS prisma/monster</td></tr><tr><td>Surelite I-20 laser systeem</td><td>Continuum</td><td>I-20</td><td>Q-switched Nd:YAG laser voor het exciteren van monsters</td></tr><tr><td>NBK-7 prisma</td><td>Thorlabs</td><td>PS911</td><td>Rechtshoekig prisma voor EFPA</td></tr><tr><td>Instelbare koppelsleutel</td><td>Tohnichi</td><td>RTD40Z</td><td>Instelbare koppelsleutel om de EFPA montage gelijkmatig vast te draaien voor elke techniek tot 16.75 g/mm</td></tr><tr><td>Digitaal niveau</td><td>Micromark</td><td>84519</td><td>Digitaal niveau om ervoor te zorgen dat EFPA prisma houder begint bij 0 graden.</td></tr></tbody></table>

evanescent field gebaseerd fotoakoestiek: optical property evaluatie aan oppervlakken

Evanescent Field Based Photoacoustics: Optical Property Evaluation at Surfaces

Hier presenteren we een protocol om de optische eigenschappen van materialen en oppervlakken te schatten met behulp van het fotoakoestisch effect in combinatie met totale interne reflectie. Evaluatie van optische eigenschappen van dunne films en de oppervlakken van bulkmaterialen is een belangrijke stap in het begrijpen van nieuwe optische materiaalsystemen en hun toepassingen. De gepresenteerde methode kan dikte, brekingsindex en gebruik van absorptieve eigenschappen van materialen voor detectie schatten. Dit metrologiesysteem maakt gebruik van evanescent veld-gebaseerde fotoakoestiek (EFPA), een onderzoeksgebied gebaseerd op de interactie van een evanescent veld met het fotoakoestisch effect. Deze interactie en de resulterende familie van technieken maken het mogelijk om de optische eigenschappen binnen een paar honderd nanometer van het monsteroppervlak te onderzoeken. Dit optische nabije veld maakt een zeer nauwkeurige schatting van materiaaleigenschappen mogelijk op dezelfde schaal als het veld zelf, zoals brekingsindex en filmdikte. Met het gebruik van EFPA en zijn subtechnieken zoals totale interne reflectie fotoakoestische spectroscopie (TIRPAS) en optische tunneling fotoakoestische spectroscopie (OTPAS), is het mogelijk om een materiaal op nanoschaal te evalueren in een geconsolideerd instrument zonder de noodzaak voor veel instrumenten en experimenten die mogelijk kostbaar zijn.

De resultaten zijn getoond TIRPAS, PAS / TIRPAS refractometrie en OTPAS de subtechniques binnen de EFPA platform. Figuur 4 toont een representatief TIRPAS akoestische golf opgewekt door een absorberende monster. De bipolaire aard van de akoestische golf is kenmerkend voor de TIRPAS techniek en geeft aan dat TIRPAS plaatsvindt. Deze bipolaire golfvorm wordt veroorzaakt door de akoestische reflectie op het grensvlak tussen het monster en het glassubstraat vanwege een groot verschil in akoestische impedantie. Voor PAS / TIRPAS refractometrie Figuur 5 en Tabel 1 werd verkregen. Figuur 5 toont het hoekspectrum en numerieke derivaat verkregen voor een monster testen om het grootste brekingsindex schatting ondergaan. Tabel 1 toont de resultaten van het gebruik van PAS / TIRPAS refractometrie het schatten bulk brekingsindex van een water / PEG / Directe rode kleurstof mengsel als Comparood naar de bulk brekingsindex schatting met behulp van een standaard handheld refractometer. Tenslotte worden OTPAS resultaten weergegeven in figuur 7 en tabel 2. Figuur 7 toont twee cijfers van de hoekige scans die worden genomen tijdens OTPAS. Tabel 2 geeft een vergelijking tussen OTPAS en spectroscopische ellipsometrie van dezelfde dunne filmmonsters. <img alt="Figuur 1" src="/files/ftp_upload/54192/54192fig1.jpg" /> Figuur 1. Subtechnologies van EFPA. EFPA aanbevelen uit drie verschillende sub-technologieën. Deze technologieën zijn TIRPAS, PAS / TIRPAS refractometrie en OTPAS. Elke techniek kunnen materialen ontlenen bepalen of andere eigenschappen te evalueren. TIRPAS detecteert materialen op basis van hun optische absorptie voor biosensoren doeleinden, PAS / TIRPAS refractometer evalueert bulk brekingsindex en OTPAS evalueert dunne film brekingsindex eend dikte. In TIRPAS, het licht boven de kritische hoek θ c creëert een verdwijnende veld dat een akoestische golf op de interactie met een optische absorber kan genereren. In PAS / TIRPAS refractometer, worden beide TIRPAS en PAS golfvormen verkregen uit zowel verdwijnende veld fotoakoestische excitatie en traditionele fotoakoestische excitatie. Door het uitzetten van beide regimes op hoekspectrum grafiek, kan de over- hoek worden opgemerkt, dat vervolgens kan worden gebruikt om de brekingsindex te leiden. Ten slotte OTPAS een spectrum van akoestische signalen worden verkregen met laserbestraling dan de kritische hoek θ c zowel een dunne film op een substraat en een kaal metaal. Door het toepassen van een niet-lineaire curve-fitting algoritme om de data, de dunne film dikte en brekingsindex kunnen worden afgeleid. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54192/54192fig1large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a> . Figuur 2. EFPA schematische / Foto links: Voor het instellen van EFPA de laserstraal moet worden uitgebreid naar de sensing gebied waarop het latex te vol. De bundel dient echter aanvankelijk op 45 graden ten opzichte van het prisma zijn. Rechts:. Foto van de installatie die de optische trein <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54192/54192fig2large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a> <img alt="figuur 3" src="/files/ftp_upload/54192/54192fig3.jpg" /> Figuur 3. Voorbeeld laden. Monsters worden geladen met het prisma om optisch contact via immersie olie aan het substraat. In TIRPAS of PAS / TIRPAS refractometer, wordt direct contact met vloeistof bereikt met het monster op het substraat voor het testen. In OTPAS, de optische koppeling through extra olieimmersie tussen het substraat en rode latex zorgt voor optische tunnelen optreedt. De mount wordt vervolgens geklemd samen met een momentsleutel en bevestigingsschroeven. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54192/54192fig3large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a> <img alt="figuur 4" src="/files/ftp_upload/54192/54192fig4.jpg" /> Figuur 4. TIRPAS typische data. TIRPAS golfvormen hebben meestal een bipolair akoestisch signaal verschijning die kenmerkend is voor het TIRPAS methode. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54192/54192fig4large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a> <img alt="figuur 5" src="/files/ftp_upload/54192/54192fig5.jpg" /> Figuur 5. PAS / TIRPAS typische data. &lt;/ Strong&gt; Links: Angular spectrum gegevens die worden verkregen door het bestralen van het monster bij verschillende invalshoeken. Rechts: Numerieke derivaat van linkerfiguur dat een lokale minima waarin de overgang van de PAS TIRPAS regimes, die weer overeenkomt met de positie van de kritische hoek onthult. Overgenomen met toestemming. 18 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54192/54192fig5large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a> <img alt="figuur 6" src="/files/ftp_upload/54192/54192fig6.jpg" /> Figuur 6. Programma stroomschema. Het programma wordt uitgevoerd in een aantal iteratieve stappen. Het prisma mount is ingesteld op nul graden en daarna parameters worden geselecteerd voor het uitvoeren van het programma. Dan het programma wordt uitgevoerd op een hoekspectrum van zowel een substraat en een film te verkrijgen. Tenslotte is een curve fit aan de gegevens de film brekingsindex en dikte schatten. Overgenomen met toestemming. 6 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54192/54192fig6large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a> <img alt="figuur 7" src="/files/ftp_upload/54192/54192fig7.jpg" /> . Figuur 7. OTPAS typische gegevens Links: Deze figuur toont de hoekige spectrum scans van een MgF2 film en een N-BK7 substraat respectievelijk. Rechts: Door het verdelen van de MgF2 film hoekspectrum scan door de N-BK7 substraat scannen en te vermenigvuldigen met een constante factor beta, mate van optische tunneling (%) vs. invalshoek kan worden verkregen, waardoor de schatting van de refractieve index en de dikte van de dunne film. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54192/54192fig7large.jpg" target="_blank">klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a> <table fo:keep-together.within-page="1"><tbody><tr><td> PAS / TIRPAS </td><td> monster 1 </td><td> monster 2 </td><td> monster 3 </td><td> monster 4 </td><td> monster 5 </td><td> Atago R-5000 </td></tr><tr><td> Direct rood / PEG 125 ug / 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> Direct rood / PEG 250 ug / 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> Direct rood / PEG 500 ug / 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> Direct rood / 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> myoglobin 460 ug / 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> Tabel 1. PAS / TIRPAS resultaten. De volgende tabel laat de typische resultaten voor Directe rode kleurstof met 50% PEG gemengd in de brekingsindex te verhogen. Overgenomen met toestemming. 18 <table fo:keep-together.within-page="1"><tbody><tr><td> typekeuring </td><td> Techniek </td><td> filmtype </td><td> Brekingsindex </td><td> Dikte (nm) </td></tr><tr><td> Intrasample </td><td> OTPAS </td><td> MgF2 200 nm </td><td> 1,384 ± 0,004 </td><td> 203 ± 6 </td></tr><tr><td> Intrasample </td><td> Ellipsometry </td><td> MgF2 200 nm </td><td> 1.393 ± 0.001 </td><td> 192,4 ± 1,1 </td></tr><tr><td> Intersample </td><td> OTPAS </td><td> MgF2 200 nm </td><td> 1,395 ± 0,011 </td><td> 220 ± 19 </td></tr><tr><td> Intersample </td><td> ellipsometrie </td><td> MgF2 200 nm </td><td> 1,392 ± 0,002 </td><td> 195,2 ± 1,8 </td></tr></tbody></table> Tabel 2. OTPAS resultaten. De volgende tabel laat de typische resultaten voor 200 nm MgF2 dunne films in OTPAS vs. spectroscopische ellipsometrie. Intrasample verwijst naar het testen van een enkele film tien keer, terwijl intersample verwijst naar het testen van tien films onafhankelijk van elkaar. Overgenomen met toestemming. 6 <table fo:keep-together.within-page="1"><tbody><tr><td> # Gemiddelden </strong&gt; </td><td fo:width="0.6in" style="width:40px"> 1 </td><td> Begin hoek </td><td fo:width="0.6in" style="width:35px"> 60 </td><td> Warmup (min) </td><td style="width:90px"> 0 </td><td style="width:90px"> Brekingsindex (prisma) </td><td> 1.519 </td></tr><tr><td> # scans </td><td> 1 </td><td> Stapgrootte </td><td> 0.1 </td><td> Opslaan in </td><td> &quot;Yourfilename&quot; .csv </td><td> Microstep # </td><td> 10 </td></tr><tr><td> Set Q-switch </td><td> 275 </td><td> Stop hoek </td><td> 80 </td><td> laser selecteert </td><td> Surelite </td><td> Snelheid (rpm) </td><td> 500 </td></tr><tr><td> Fouttolerantie (%) </td><td> 5 </td><td> laser startup </td><td> op </td><td> Low pass filter (progRAM) </td><td> 1.00 x 10 7 </td><td> Acceleration (RPS) </td><td> 200 </td></tr></tbody></table> Tabel 3. Angular spectrum instellingen voor PAS / TIRPAS refractometriemethode. De volgende tabel geeft de voorwaarden voor een hoekige spectrum in PAS / TIRPAS refractometer instellingen. <table fo:keep-together.within-page="1"><tbody><tr><td> # Gemiddelden </td><td fo:width="0.6in" style="width:40px"> 64 </td><td> Begin hoek </td><td fo:width="0.6in" style="width:35px"> 70 </td><td> Warmup (min) </td><td style="width:90px"> 1 </td><td style="width:90px"> Brekingsindex (prisma) </td><td> 1.519 </td></tr><tr><td> # scans </td><td> 1 </td><td> Stapgrootte </td><td> 0.1 </td><td> Opslaan in </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> Stop hoek </td><td> 72 </td><td> laser selecteert </td><td> Surelite </td><td> Snelheid (rpm) </td><td> 500 </td></tr><tr><td> Fouttolerantie (%) </td><td> 5 </td><td> laser startup </td><td> op </td><td> Low pass filter (programma) </td><td> 1.00 x 10 7 </td><td> Acceleration (RPS) </td><td> 200 </td></tr></tbody></table> Tabel 4. Angular spectrum instellingen voor OTPAS. De volgende tabel toont de voorwaarden voor een hoekige spectrum in OTPAS instellingen. <table fo:keep-together.within-page="1"><tbody><tr><td style="width:65px"> Lagere brekingsindex </td><td> 1 &lt;/ Td&gt; <td style="width:72px"> Tolerantie </td><td> 1.00 x 10 -12 </td><td style="width:80px"> koppeling RI </td><td style="width:83px"> 1.519 </td><td style="width:65px"> substraat data </td><td style="width:83px"> Selecteer yourfilename.csv </td></tr><tr><td> lagere dikte </td><td> 0 nm </td><td> Brekingsindex guess </td><td> 1.3 </td><td> Golflengte </td><td> 532 nm </td><td> Meerdere bestanden opslaan op </td><td> Selecteer yourfilename.csv </td></tr><tr><td> Upper dikte </td><td> 1000 nm </td><td> dikte guess </td><td> 200 nm </td><td> Polarisatie </td><td> P gepolariseerd </td><td> Hoeveel bestanden </td><td> # Van bestanden die u wilt passen </td></tr><tr><td> Max iteratie </td><td> 5000 </td><td> SubstraatRI </td><td> 1.519 </td><td> film data </td><td> Selecteer yourfilename.csv </td><td> Type fit </td><td> Single fit / Batch fit </td></tr></tbody></table> Tabel 5. Curve fitting parameters. De volgende tabel toont de curve fitting parameters nodig voor een juiste parameterschatting. Aanvullende Code Bestand:. OTPAS dunne film analyzer_USB-5133.vi <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54192/OTPAS_Thin_Film_Analyzer_USB-5133.vi" target="_blank">Klik hier om dit bestand te downloaden.</a>

Hier presenteren we een protocol om materiaal te schatten en oppervlakte optische eigenschappen met behulp van de fotoakoestische effect gecombineerd met een totale interne reflectie. Deze techniek vervallende veld-gebaseerde Fotoakoestiek kan worden gebruikt om een ​​fotoakoestische meetsysteem materialen &#39;dikten, bulk en dunne film brekingsindices schatting maken en staand hun optische eigenschappen.

Evanescent Field Gebaseerd Fotoakoestiek: Optical Property Evaluatie aan oppervlakken

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

Het algemene doel van deze set fotoakoestische technieken is om de optische eigenschappen van vloeistoffen, vaste stoffen en transparante dunne films te karakteriseren in één geconsolideerd apparaat. Deze methode kan helpen bij het beantwoorden van kernvragen in het veld van materiaalkarakterisering, zoals geschatte dikte en brekingsindex. Het belangrijkste voordeel van deze techniek is dat de bulkbrekingsindex, de brekingsindex van de dunne film, de dikte en de optische absorptie in één enkel apparaat kunnen worden gemeten.Enkele apparaten moeten worden voorbereid om aan het experiment te beginnen. Ten eerste vereist het experiment twee ultrasone transducers, zoals deze 10 megahertz modellen die voor dit protocol worden gebruikt. Elk exemplaar heeft een rode latex rubberen cilinder met een diameter van negen millimeter en een dikte van één millimeter, die met epoxy op het voorvlak is bevestigd.De referentietransducer wordt eveneens met epoxy bevestigd aan een acrylblok, dat dient als akoestische spacer. Een ander stuk apparatuur dat voorbereid moet worden, is de houder voor het fotoakoestische prisma op basis van het evanescente veld, of EFPA-prismahouder. De EFPA-prismahouder bestaat uit een prismamountage en een transducer-mountage.Een prisma is geplaatst in de prismahouder. De transducerhouder houdt een van de voorbereide ultrasone transducers vast, zodat de latex is blootgesteld. Wanneer het prisma en de transducer op hun plaats zitten, worden de twee delen van de prismahouder samengevoegd, zodat de latex naar een prisma is gericht over een opening waarin een monster kan worden geplaatst.Bevestig de onderdelen met schroeven aan elkaar. De resterende apparatus voor dit experiment is al geplaatst op een optische bank. De straal wordt gegenereerd door een neodymium-gedopeerde yttrium-aluminium-granaatlaser met q-switch.De output hiervan gaat naar een straaluitbreider. Dit wordt gevolgd door een handmatig instelbare diafragma. Het volgende element is een polariserende beamsplitterkubus.De bundel gaat vervolgens door een niet-polariserende bundelsplitser. Eén uitgang gaat naar een gemonteerde ultrasone transducer die als referentie dient. De andere uitgang van de bundelsplitser gaat naar de gemonteerde EFPA-prismahouder en de bijbehorende transducer.De straal die de prismahouder verlaat, gaat in een straalblok. De EFPA-prismahouder is gemonteerd op een XY-theta-translatievlak om een correcte positionering mogelijk te maken. De hoek kan worden aangepast via een computergestuurde stappenmotor.Ter voorbereiding op het experiment gaat u terug naar de laser en de straaluitbreider. Gebruik lenzen om een straaluitbreiding van ten minste een factor drie te creëren. De straal moet groter zijn dan de latex-absorber op de transducers.Nadat u met de expander heeft gewerkt, gebruikt u een digitale waterpas om de straal en de prismahouder uit te lijnen. De vlakke zijde van de prismamontage moet zich op nul graden ten opzichte van de straal bevinden. Sluit de transducers, oscilloscopen en computergestuurde monitoren aan en schakel deze in.Gebruik 50 ohm BNC-kabels om de referentietransducer aan te sluiten op kanaal nul van de oscilloscoop. Sluit de transducer in de EFPA-prismahouder aan op kanaal één. Zorg ervoor dat u tijdens de uitlijningsstappen de juiste laserbeschermingsbril draagt.Verklein de straaldiameter tot één millimeter bij de verstelbare diafragmaopening. Start op de computer de software die de uitvoering van de experimenten aanstuurt. Gebruik de software om de prismahouder naar 70 graden te draaien.Kijk vanaf de zijkant loodrecht op de laserstraal in het prisma en observeer of de laserplek zichtbaar is op de latex. Stel de XY-theta translatiepodia handmatig bij totdat de laserplek correct is gepositioneerd op de transducer. Het doel is dat de plek zich in het centrum van de latex bevindt.Keer terug naar de opening en breid deze uit tot de maximale opening. Controleer op de computer de energiemetingen van de transducers. In dit geval is de rode lijn de directe laserenergiemeting, de referentie.De blauwe lijn is afkomstig van de transducer in de EFPA-prismahouder. Controleer of de twee metingen ongeveer dezelfde grootte hebben. Wanneer alles correct is, stopt u de meting, waarna het prisma automatisch wordt teruggezet naar nul graden voordat u verdergaat.De techniek van fotoakoestische spectroscopie met totale interne reflectie zal worden gebruikt om het vloeibare monster te analyseren. Het monster is direct red dye 81 in water. Daarnaast vereist de techniek immersie-olie die is index-gematcht met het prisma, evenals een microscopiediapje als substraat om het prismaoppervlak te bedekken.Verwijder de EFPA-prismahouder uit de opstelling en open deze om het monster te plaatsen. Begin met een prisma en breng 2,5 µL immersie-olie aan in het centrum. Plaats vervolgens het substraat bovenop de uitgespreide olielaag.Ga vervolgens over naar het werken met de latex op de EFPA ultrasone transducer. Breng daar 25 microliters van het vloeibare monster aan zonder luchtbellen te vormen. Zet nu de EFPA-houder weer in elkaar door de combinatie van prisma en olie-substraat bovenop de met monster bedekte latex te plaatsen.Druk de prismahouder samen en bevestig de assemblage met montagebouten. Wanneer de EFPA-houder gereed is, plaatst u deze terug in de experimentele opstelling. Plaats de EFPA-houder opnieuw in de positie tussen de optische elementen.Zorg dat alle componenten gereed zijn voordat de gegevensverzameling wordt gestart. Gebruik laboratoriumsoftware om het door het monster gegenereerde akoestische signaal te meten en weer te geven. De gegevens tonen de piek-tot-piekspanning als functie van de tijd.Ter voorbereiding op de POSS TUR POSS refractometrie werkt u opnieuw met de EFPA-prismahouder uit de opstelling. Scheid de houder om het prisma bloot te leggen en scheid de latex van de transducer. Houd het monster, immersieolie die index-gematcht is aan het prisma, en een substraat om het prisma-oppervlak te bedekken bij de hand.Breng 2,5 µL immersie-olie aan op het midden van het prisma. Sluit de olie af door een substraat bovenop de olielaag te plaatsen. Ga naar de transducer in de houder en breng 25 µL monsterkleurstof aan op het latexkussen.Zodra dit is voltooid, plaatst u de prismahouder met de olie en het substraat op het latex of de transducer. Druk de twee houders tegen elkaar aan en zet ze vast met montageschroeven. Nadat de EFPA-prismahouder in de opstelling is geplaatst, schakelt u over naar de computergestuurde software.Voer het bereik van de invalshoeken waarover het spectrum gemeten moet worden en de stapgrootte in. Voer het programma uit om het spectrum te meten en zet dit uit als de piek-tot-piekspanning als functie van de hoek. Gebruik, uitgaande van het gemeten spectrum, software om de numerieke afgeleide naar de hoek te bepalen en te grafisch weer te geven.Gebruik de gladgestreken gegevens van de numerieke afgeleide om handmatig lokale minima en de bijbehorende invalshoeken te identificeren. De minima duiden op een overgang van POSS- naar TUR POSS-regimes. Bereid de EFPA-prismahouder voor op optische tunnelings-fotoakoestische spectroscopie.Zorg dat de prisma- en transducermontering gescheiden zijn en dat de immersie-olie index-gekoppeld is aan het beschikbare prisma. Het monster is een dunne film van magnesiumfluoride die op een glazen objectglas is aangebracht. Breng 2.5 µL immersie-olie aan in het midden van het prisma.Nadat de olie is aangebracht, oriënteert u het monster zodanig dat de dunne film van het prisma af is gericht, en plaatst u het monster op de olie. Breng bij de transducerhouder 25 microliters immersieolie aan op het latexkussen, zodat het volledige oppervlak wordt bedekt zonder dat er bellen ontstaan. Breng het latex in contact met het monster en draai de bevestigingsschroeven aan om de assemblage samen te persen.Plaats de EFPA-houder terug in de optische opstelling en bereid de uitvoering van het experiment voor. Voer op de computer de parameters in voor het vastleggen van een hoekspectrum en start de meting. Deze gegevens uit de fotoakoestische spectroscopie met totale interne reflectie zijn representatief voor de akoestische golf die wordt gegenereerd door een absorberend monster.In dit geval rode kleurstof 81 in water. De bipolaire aard van de golf ontstaat door akoestische reflectie op het grensvlak tussen het monster en het glazen substraat, waar een groot verschil in akoestische impedantie bestaat. De POSS TUR POSS-techniek genereert een hoekspectrum.Wanneer de numerieke afgeleide wordt genomen in smooth, komt het lokale minimum overeen met de gemeten kritieke hoek. Met kennis van deze hoek is het mogelijk om de bulkbrekingsindex te berekenen bij de lasergolflengte van het experiment. Dit genormaliseerde signaal van het hoekspectrum van de laserenergie is voor een magnesiumfilm op een NBK-7 optisch glassubstraat.Het percentage optische tunneling als functie van de invalshoek kan uit deze waarden worden bepaald. Deze informatie maakt het mogelijk om de brekingsindex en de dikte te schatten. Bij het uitvoeren van deze procedure is het belangrijk om te voorkomen dat er luchtbellen ontstaan in de olie of het monster.Na het bekijken van deze video zou u nu een goed begrip moeten hebben van hoe EFPA-methoden worden gebruikt om de optische eigenschappen van materialen te schatten.

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

Research

JoVE Journal

Engineering

Techniek

Optische resolutie fotoakoestische microscopie (OR-PAM) is een opkomende technologie die in staat van beeldvorming optische absorptie...

Drie-dimensionale Optische resolutie Fotoakoestisch Microscopie

Een echo particle image velocimetry (EPIV) systeem dat in staat de overname van twee-dimensionale velden van snelheid in optisch ondoorzichtige vloeistoffen of via optisch ondoorzichtige geometrieën wordt beschreven, en validatie metingen in pijpstroming worden gerapporteerd.

Echo Particle Image Velocimetry

Fotoakoestische oogheelkunde (PAOM), een optische-absorptie-gebaseerde beeldvormende modaliteit, biedt de aanvullende evaluatie van het netvlies aan de op dat moment beschikbare oogheelkundige imaging technologieën. Wij rapporteren het gebruiken van PAOM geïntegreerd met spectrale-domein optische coherentie tomografie (SD-OCT) voor gelijktijdige multimodale netvlies imaging bij ratten.

Geïntegreerde Fotoakoestische oftalmoscopie en Spectral-domein Optical Coherence Tomography

Het algemene doel van deze methode is het bepalen van de lage-energie elektronische structuur van vaste stoffen bij ultralage temperaturen met behulp van hoekopgeloste foto-emissie spectroscopie met synchrotron straling.

Hoekopgeloste foto-emissie spectroscopie bij ultralage temperaturen

Fluorescent-core microcavity sensoren gebruiken een hoge-index quantum dot-coating in het kanaal van silica microcapillaries. Veranderingen in de brekingsindex van vloeistoffen gepompt capillaire kanalen leiden tot verschuivingen in de microcavity fluorescentie spectrum die kunnen worden gebruikt om het kanaal medium analyseren.

Synthese en Werking van TL-core microcavities voor Refractometermethode Sensing

Het manuscript beschrijft een methode van door fononen geassisteerde quasi-resonante fluorescentiespectroscopie die zowel laser-gelimiteerde resolutie als fotoluminescentie (PL) spectroscopie omvat. Deze methode maakt gebruik van optische fononen om lijnbreedte-gelimiteerde resolutiespectra van atomachtige halfgeleiderstructuren in het energiedomein te leveren. De methode kan ook eenvoudig worden gerealiseerd met een enkele spectroscopische opstelling voor optische spectroscopie.

High Resolution Phonon ondersteunde Quasi-resonantie fluorescentiespectroscopie

Twee soorten oppervlakken, polyestergecoat staal en polyester bekleed met een laag van silica nanodeeltjes bestudeerd. Beide oppervlakken werden blootgesteld aan zonlicht en bleek aanzienlijke veranderingen in de chemie en nanoschaal topografie van het oppervlak veroorzaken.

De evolutie van Silica nanodeeltjes-polyester Coatings op oppervlakken blootgesteld aan zonlicht

Hierbij is een AR-OR-PAM-systeem (AR) of schakelbare akoestische resolutie (AR) en optische resolutie (OR), die zowel in hoge resolutie als in hoge resolutie kan worden ingezet, met een lage resolutie van diepe weefsels op een zelfde monster in vivo .

Schakelbare akoestische en optische resolutie Photoacoustic Microscopy voor<em&gt; In Vivo</em&gt; Kleine dieren Bloedvasculaire Imaging

Dit protocol beschrijft de instrumentatie voor de bepaling van de excitatie en koppeling tussen licht vervuilers en Bloch-achtige oppervlakte plasmon polaritons die voortvloeien uit periodieke matrices.

Bepaling van de excitatie en koppeling tussen licht vervuilers en oppervlakte Plasmon Polaritons

Optisch geactiveerde perfluorkoolstof nanodruppeltjes zijn veelbelovend in beeldvormingstoepassingen buiten het vasculaire systeem. Dit artikel zal demonstreren hoe deze deeltjes te synthetiseren, polyacrylamidefantooms te crosslinken en de druppels akoestisch te moduleren om hun signaal te verbeteren.

Formulering en akoestische modulatie van optisch verdampte perfluorkoolstof nanodruppels

Dit protocol beschrijft de fabricage van een stabiel, biologisch relevant fantoommateriaal voor optische en akoestische biomedische beeldvormingstoepassingen, met onafhankelijk afstembare akoestische en optische eigenschappen.

Een stabiel fantoommateriaal voor optische en akoestische beeldvorming

Leer evanescent field fotoakoestiek om optische eigenschappen van vloeistoffen, vaste stoffen en dunne films te karakteriseren in één geconsolideerd apparaat. Deze methode meet brekingsindex, dikte en optische absorptie.

Evanescent Field Gebaseerd Fotoakoestiek: Optical Property Evaluatie aan oppervlakken

Meer video's verkennen