क्षणभंगुर क्षेत्र के आधार Photoacoustics: ऑप्टिकल संपत्ति मूल्यांकन सतहों पर
Summary
यहाँ हम सामग्री का अनुमान है और ऑप्टिकल गुण कुल आंतरिक प्रतिबिंब के साथ संयुक्त photoacoustic प्रभाव का उपयोग कर सतह के लिए एक प्रोटोकॉल उपस्थित थे। इस तकनीक को क्षणभंगुर क्षेत्र आधारित photoacoustics 'सामग्री मोटाई, थोक और पतली फिल्म अपवर्तक सूचकांक अनुमान लगाने के लिए एक photoacoustic मैट्रोलोजी प्रणाली बनाने के लिए, और पता लगाने के लिए उनके ऑप्टिकल गुण का इस्तेमाल किया जा सकता है।
Abstract
Here, we present a protocol to estimate material and surface optical properties using the photoacoustic effect combined with total internal reflection. Optical property evaluation of thin films and the surfaces of bulk materials is an important step in understanding new optical material systems and their applications. The method presented can estimate thickness, refractive index, and use absorptive properties of materials for detection. This metrology system uses evanescent field-based photoacoustics (EFPA), a field of research based upon the interaction of an evanescent field with the photoacoustic effect. This interaction and its resulting family of techniques allow the technique to probe optical properties within a few hundred nanometers of the sample surface. This optical near field allows for the highly accurate estimation of material properties on the same scale as the field itself such as refractive index and film thickness. With the use of EFPA and its sub techniques such as total internal reflection photoacoustic spectroscopy (TIRPAS) and optical tunneling photoacoustic spectroscopy (OTPAS), it is possible to evaluate a material at the nanoscale in a consolidated instrument without the need for many instruments and experiments that may be cost prohibitive.
Introduction
ऑप्टिकल सामग्री, लेंस पर antireflection कोटिंग्स सहित 1,3,4,6,7,10,13-16 ऑप्टिकल उपकरणों की एक मेजबान के लिए पतली फिल्म सामग्री के निर्माण में नए अंतर्दृष्टि प्रदान की है की समझ में प्रगति, उच्च विलुप्त होने अनुपात ऑप्टिकल फिल्टर, और अत्यधिक अवशोषित स्लैब waveguides 17। ये प्रगति ऐसे ellipsometry 4,6,18, संपर्क कोण माप, परमाणु शक्ति माइक्रोस्कोपी 7,11,19, और स्कैनिंग / संचरण इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी के रूप में कई तकनीकों के लक्षण वर्णन, जिनमें से चलने का सुधार करने में सहायता के उपयोग के बिना संभव नहीं होगा प्रत्यक्ष उपाय या मौलिक ऑप्टिकल गुण सामग्री की अप्रत्यक्ष अनुमान प्रदान करके इन प्रौद्योगिकियों। कहा कि इस तरह अपवर्तनांक के रूप में गुण, सरकार कैसे सामग्री घटना फोटॉनों है, जो सीधे उनके कार्य और ऑप्टिकल अनुप्रयोगों में उनके उपयोग को प्रभावित करता है के साथ बातचीत। हालांकि, इन तकनीकों में से प्रत्येक सीमाओं resolu से संबंधित गया हैमोर्चे, नमूना तैयार करने, लागत, और जटिलता, और प्रत्येक पूरी तरह से सामग्री को चिह्नित करने के लिए जरूरी डेटा का केवल एक सबसेट उत्पन्न करता है। कहा जा रहा है, तकनीक, क्षणभंगुर क्षेत्र आधारित photoacoustics (EFPA) 5,6,15,18,20-49 रूप में जाना जाता का एक नया सेट के रूप में चित्र 1 में दिखाया गया है, संभावित एक समेकित में nanoscale पर सामग्री गुण अनुमान लगाने के लिए है प्रयोगों की स्थापना की। EFPA कुल आंतरिक प्रतिबिंब photoacoustic स्पेक्ट्रोस्कोपी (TIRPAS) 23,25,26,33-35,43-45, photoacoustic स्पेक्ट्रोस्कोपी / कुल आंतरिक प्रतिबिंब photoacoustic स्पेक्ट्रोस्कोपी refractometry (पीए / TIRPAS refractometry) 18, और ऑप्टिकल टनलिंग photoacoustic के उप-तकनीक शामिल स्पेक्ट्रोस्कोपी (OTPAS) 6, और थोक और पतली फिल्म अपवर्तनांक, फिल्म मोटाई अनुमान लगाने के लिए, साथ ही एक चश्मे / नमूना या सब्सट्रेट / नमूना इंटरफेस में अवशोषित सामग्री का पता लगाने के लिए इस्तेमाल किया गया है।
आदेश EFPA तंत्र को समझने के लिए, एकपहले photoacoustic स्पेक्ट्रोस्कोपी (पीए) है, जो एक क्रोमोफोर का तेजी से विस्तार thermoelastic, प्रकाश की एक अति लघु (<μsec) नाड़ी के अवशोषण (चित्रा 1) का पालन करके अल्ट्रासोनिक दबाव तरंगों की पीढ़ी के लिए संदर्भित करता है की अवधारणा को समझना चाहिए। इस पत्र में चर्चा photoacoustic प्रभाव के लिए सैद्धांतिक और गणितीय ढांचा यहां 50-59 से प्राप्त किया जा सकता है। दबाव में जिसके परिणामस्वरूप परिवर्तन एक अल्ट्रासोनिक माइक्रोफोन या ट्रांसड्यूसर से पता लगाया जा सकता है। photoacoustic प्रभाव, मूल रूप से अलेक्जेंडर ग्राहम बेल का फ़ोटोफ़ोन के आविष्कार के साथ 1880 में की खोज की, लेजर और माइक्रोफोन प्रौद्योगिकी के क्षेत्र में प्रगति के कारण "फिर से खोज" था 1970 में, और अंत में व्यावहारिक उपयोग में लाना पतली फिल्म करने के लिए बायोमेडिकल इमेजिंग से आला अनुप्रयोगों को भरने के लिए सामग्री के गैर विनाशकारी परीक्षण करने के लिए विश्लेषण। 1,53-57,59-82 इस आशय गणितीय एक आयामी लहर समीकरण, जिसमें वें के साथ वर्णित किया जा सकताई लहर एक सरल ध्वनिक स्रोत जिसका दबाव (पी) दोनों की स्थिति (x) और समय (टी) में बदलता है:
प्रपत्र 64 की साधारण ध्वनिक स्रोतों के लिए समाधान के साथ
जहां पी दबाव है, Γ = αv एस 2 / सी पी जहां α मात्रा थर्मल विस्तार गुणांक है, वी एस माध्यम में ध्वनि की गति है, और सी पी लगातार दबाव में गर्मी की क्षमता है, एच 0 उज्ज्वल जोखिम है लेजर बीम की, सी उत्साहित माध्यम में ध्वनि की गति है, एक्स लंबाई है, और टी समय है। जिसके परिणामस्वरूप ध्वनिक लहर की भयावहता सामग्री के ऑप्टिकल अवशोषण गुणांक पर सीधे निर्भर करता है, एक μ, which ऑप्टिकल प्रवेश गहराई, δ, जो बारी में दूरी प्रकाश यात्रा करने के लिए जब तक यह अपनी प्रारंभिक ऑप्टिकल तीव्रता के 1 / ई decays का एक उपाय है के उलटा है। समीकरण (1) एक एक आयामी विमान लहर स्रोत के लिए एक सामान्य समीकरण है, ठेठ अवशोषक तीन आयामों में एक गोलाकार ध्वनिक लहर उत्सर्जन होगा। परे गणितीय विवरण, स्वाभाविक रूप से मौजूद क्रोमोफोर हीमोग्लोबिन की वजह से बड़े ऑप्टिकल अवशोषण के कारण इस तरह के माइक्रोस्कोपी, टोमोग्राफी, और यहां तक कि आणविक इमेजिंग उच्च संवेदनशीलता होने photoacoustic प्रभाव के कारण के रूप में photoacoustic प्रभाव 54 काल में कई इमेजिंग रूपात्मकता के आवेदन। Photoacoustic प्रभाव के अन्य अनुप्रयोगों यहां तक कि विभिन्न पतली फिल्म गुण 15,16,20,21,24,26-32,36-39,41,42,56,83,84 के आकलन में शामिल हैं। हालांकि, पीए कुछ सीमाएं हैं: (1) इसकी व्यापक ऑप्टिकल प्रवेश गहराई सतहों पर पास मैदान ऑप्टिकल गुण की जांच के लिए क्षमता समाप्त (2) यहउत्सर्जित ध्वनिक ऊर्जा पर कब्जा करने की दक्षता ऊर्जा के बहुमत की गोलाकार प्रचार डिटेक्टर से दूर (3) नमूने विचाराधीन तरंगदैर्ध्य शासन में chromophores शामिल करना चाहिए के कारण कम है।
जब क्षणभंगुर क्षेत्र-आधारित तकनीक के साथ संयुक्त, हालांकि, इन सीमाओं के कई ameliorated जा सकता है। क्षणभंगुर क्षेत्र के रूप में स्नेल के नियम है, जो प्रभाव भी फाइबर ऑप्टिक waveguides अभिकलन और दूरसंचार अनुप्रयोगों के लिए प्रकाश बड़ी दूरी (किमी) में मार्गदर्शन करने के लिए अनुमति देता है द्वारा वर्णित है, तब होता है जब प्रकाश की एक किरण कुल आंतरिक प्रतिबिंब (TIR) से होकर गुजरती है। व्यावहारिक अनुप्रयोगों में, क्षणभंगुर क्षेत्र लक्षण और इमेजिंग तकनीक की एक किस्म में प्रयोग किया जाता है, तनु कुल reflectance स्पेक्ट्रोस्कोपी (एटीआर) भी शामिल है। इमेजिंग उच्च विपरीत के साथ ब्याज के नमूने में पहले कुछ सौ नैनोमीटर के भीतर करने के लिए प्रकाश की प्रसूति के कारण हासिल की है। क्षणभंगुर क्षेत्र एक exponentiall का रूप ले लेता हैY खस्ताहाल क्षेत्र है कि एक ऑप्टिकल प्रवेश गहराई तरंगदैर्ध्य के आदेश पर आम तौर पर है कि करने के लिए बाहरी माध्यम में फैली इस्तेमाल किया जा रहा है (आमतौर पर ~ 500 एनएम या कम) के रूप में समीकरणों 3 और 4 में दिखाया गया है।
जहां मैं चश्मे / नमूना अंतरफलक से एक स्थान पर जेड% में प्रकाश की तीव्रता है, मैं 0 इंटरफेस में% में प्रारंभिक प्रकाश की तीव्रता है, जेड नैनोमीटर में दूरी है, और δ पी ऑप्टिकल प्रवेश गहराई के रूप में समीकरण में दिखाया गया है 4. इस तरह के एक छोटे से ऑप्टिकल प्रवेश गहराई के साथ, क्षणभंगुर क्षेत्र के माहौल में अच्छी तरह से ऑप्टिकल और ध्वनिक विवर्तन सीमा से नीचे बहुत दो पदार्थों के इंटरफेस के करीब है, और के साथ बातचीत करने में सक्षम है। इस सीमा के भीतर सामग्री या कणों का गुण ऑप्टिकल क्षेत्र उपद्रव या अन्यथा इसके पीढ़ी है, जो बातचीत के तरीकों 3 की एक किस्म से पता लगाया जा सकता है बदल सकता है,5,6,10,15,17,18,21,23,25-27,29-47,84-95।
क्षणभंगुर तकनीक पीए के साथ संयुक्त कर रहे हैं, photoacoustic उत्पादन waveforms क्षणभंगुर-क्षेत्र आधारित photoacoustics (EFPA) तकनीक के परिवार के रूप में चित्रा 1 में दिखाया गया है। यह परिवार भी शामिल बनाने, सामग्री या कणों क्षणभंगुर क्षेत्र के साथ बातचीत को चिह्नित करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है, लेकिन, कुल आंतरिक प्रतिबिंब photoacoustic स्पेक्ट्रोस्कोपी (TIRPAS), ऑप्टिकल टनलिंग photoacoustic स्पेक्ट्रोस्कोपी (OTPAS), और सतह plasmon अनुनाद photoacoustic स्पेक्ट्रोस्कोपी (SPRPAS) तक सीमित नहीं है। रुचि पाठक OTPAS 6 TIRPAS 5,6,18,23,25,26,33-35,43-47, पीए / TIRPAS refractometry 18 के लिए इस्तेमाल किया समीकरणों के derivations के लिए निम्न संदर्भ का उल्लेख करना चाहिए, और। प्रत्येक मामले में, photoacoustic प्रभाव एक चश्मे के माध्यम से सरल संप्रेषण तुलना में एक अलग तंत्र के माध्यम से उत्तेजना उत्पन्न होता है; उदाहरण के लिए, TIRPAS में, प्रकाश evanescently हैएक चश्मे / सब्सट्रेट / नमूना chromophores में इंटरफेस है, (जो नमूना सामग्री ही है, या नमूना के भीतर अतिथि अणुओं शामिल हो सकते हैं) जबकि SPRPAS में, उत्तेजना के प्राथमिक मोड एक सतह plasmon के अवशोषण है, जिसके माध्यम बजाय है के माध्यम से युग्मित एक माध्यमिक ईएम लहर जब क्षणभंगुर क्षेत्र की ऊर्जा एक धातु की परत चश्मे सतह पर जमा की इलेक्ट्रॉन बादल में स्थानांतरित कर रहा है बनाया। तकनीक के इस परिवार मूल रूप से SPRPAS के आविष्कार के साथ Hinoue एट अल। द्वारा 1980 के दशक में आविष्कार किया गया था, और टी Inagaki एट अल द्वारा पर सुधार किया है।, लेकिन प्रकाश स्रोतों और उपलब्ध उपकरणों का पता लगाने के तकनीकी सीमाओं के कारण बहुत कम विकास देखा । अभी हाल ही में पिछले जांच से पता चला है कि वृद्धि की संवेदनशीलता और उपयोगिता आधुनिक polyvinylidene फ्लोराइड (PVDF) अल्ट्रासोनिक डिटेक्टरों और क्यू स्विच neodymium डाल दिया गया yttrium एल्यूमीनियम गार्नेट के साथ संभव हो रहे हैं (एन डी: YAG) पराबैंगनीकिरण। विशेष रूप से, nanosecond स्पंदित एन डी: YAGलेज़रों एक 10 6 शिखर शक्ति में वृद्धि गुना, जो EFPA तकनीक सामग्री और इंटरफेस 5,6,15,18,21-29,31-47,84 की एक किस्म के ऑप्टिकल गुणों के मूल्यांकन के लिए उपयोगी उपकरणों बनने के लिए सक्षम बनाता है में परिणाम 96। इसके अतिरिक्त, पिछले काम आगे उनके अपेक्षाकृत बड़े प्रवेश गहराई 53,55,57,59 के कारण इस तरह की तकनीक की क्षमता एक इंटरफेस पर सामग्री है, जो पारंपरिक photoacoustic स्पेक्ट्रोस्कोपी (पीए) प्रौद्योगिकियों के साथ प्राप्त किया गया था कि पहले कभी नहीं के बारे में जानकारी संरचनात्मक निर्धारित करने के लिए दिखाया गया है, 61,62,69,73,75,80,81।
यह क्षमता है कि प्रोटोकॉल के तहत OTPAS तकनीक पालन में दिखाया गया है; हालांकि, एक और अधिक मौलिक स्तर पर तीन तकनीक प्रत्येक एक अलग निश्चित समीकरण, जो प्रौद्योगिकी की क्षमताओं को निर्धारित करता है पर भरोसा करते हैं। उदाहरण के लिए, TIRPAS, क्षणभंगुर क्षेत्र के ऑप्टिकल प्रवेश गहराई, δ 'पी में, मुख्य रूप से, जिसके परिणामस्वरूप ध्वनिक ड्राइवएक दिलचस्प नमूना करने के लिए तीव्रता का संकेत है, और द्वारा वर्णित है:
जहां λ 1 चश्मे के माध्यम से यात्रा प्रकाश की तरंग दैर्ध्य है और संबंध λ द्वारा परिभाषित किया गया है 1 = λ / एन 1 एन 1 जिसमें चश्मे सामग्री का अपवर्तनांक है। इसके अतिरिक्त, θ उत्तेजना के कोण करने के लिए संदर्भित करता है, और एन 21 प्रत्येक माध्यम के अपवर्तक सूचकांक के अनुपात को संदर्भित करता है और एन 21 = 2 n / एन 1, जिसमें 2 n नमूना सामग्री का अपवर्तनांक है द्वारा परिभाषित किया गया है। बड़े ऑप्टिकल प्रवेश गहराई, और अधिक सामग्री विकिरणित किया जा रहा है। photoacoustic प्रभाव के लिए, अधिक से अधिक ऑप्टिकल प्रवेश गहराई, और अधिक सामग्री उत्साहित किया जा रहा है कि ध्वनिक एक बड़ा ध्वनिक संकेत करने के लिए अग्रणी तरंगों का उत्पादन कर सकते हैं।
<pवर्ग = "jove_content"> TIRPAS के विपरीत हालांकि, पीए में / TIRPAS refractometry प्राथमिक समीकरण स्नेल के नियम है:
जहां n 1 चश्मे का अपवर्तनांक है, θ 1 चश्मे / नमूना इंटरफेस में घटना के कोण है, 2 n नमूने का अपवर्तनांक है, और θ 2 प्रकाश के कोण है कि दूसरे के माध्यम से अपवर्तित किया जाता है मध्यम। एक सामग्री का अपवर्तनांक का आकलन करने की संवेदनशीलता को मुख्य रूप से θ 1. के आकलन कुल आंतरिक प्रतिबिंब में, जो जब θ 1 महत्वपूर्ण कोण है जो एक क्षणभंगुर क्षेत्र उत्पन्न करता है, पाप θ 2 = 1 से परे है हासिल की है की सटीकता द्वारा संचालित है और इसलिए, 5 समीकरण 2 n = n 1 sinθ 1 को कम कर देता है। (नोट: 1 = θθ महत्वपूर्ण) कोण जिस पर संख्यात्मक व्युत्पन्न (डी पी / dθ जहां पी photoacoustic संकेत के शिखर वोल्टेज और θ करने के लिए चोटी है) photoacoustic संकेत के नमूने के साथ प्रकाश की घटना के कोण है यह जानते हुए कि एक स्थानीय minima की अनुमति देता है θ 1 का अनुमान है कि यह यूजर 2 n के लिए हल है और इस तरह के रूप में चित्र 1 में दिखाया गया एक नमूना के थोक अपवर्तनांक अनुमान लगाने के लिए अनुमति देता है।
अंत में, OTPAS में, निम्न समीकरण संबंधित ऑप्टिकल द्वारा पीक वोल्टेज के लिए photoacoustic पीक करने के लिए% में संचरण:
जहां टी प्रतिशत ऑप्टिकल ट्रांसमिशन है, पी उस पर एक फिल्म के साथ एक सब्सट्रेट के कोणीय स्पेक्ट्रम के द्वारा उत्पन्न की चोटी से पीक वोल्टेज है, पी 0 कोणीय स्पेक्ट्रम ओ द्वारा उत्पन्न चोटी से पीक वोल्टेज हैएफए सब्सट्रेट, β युग्मन चश्मे और विसर्जन के तेल का अपवर्तनांक पर आधारित स्थिर है, α क्षीणन कारक है, और एक और पहलू है कि मोटाई और क्षणभंगुर क्षेत्र के भीतर नमूना फिल्म का अपवर्तनांक भी शामिल है। इस तकनीक की संवेदनशीलता मोटाई के लिए और अपवर्तनांक चोटी कोणीय स्पेक्ट्रम में हुई घटना के प्रत्येक कोण पर ध्वनिक संकेत तीव्रता, पी और पी 0 चोटी का आकलन करने की सटीकता से प्रेरित है। यह दिखाया गया है कि β सीधे चश्मे और विसर्जन के तेल की अपवर्तक सूचकांक पर आधारित गणना की जा सकती है; नतीजतन, यह घटना के प्रत्येक कोण पर ऑप्टिकल ट्रांसमिशन गणना करने के लिए और फिर सांख्यिकीय वक्र ढाले विश्लेषण के माध्यम से अपवर्तनांक और फिल्म की मोटाई के लिए एक अनुमान निकालने के लिए एक सरल काम नहीं है। रुचि पाठक अधिक जानकारी के लिए। गोल्डश्मिट एट अल देखना चाहिए। 5,6
टीवह EFPA प्रणाली एक photoacoustic आधारित मोटाई, पतली फिल्म अपवर्तनांक, थोक अपवर्तनांक आकलन, और पता लगाने के लिए ऑप्टिकल अवशोषण के माध्यम से ध्वनिक संकेत पैदा करने में सक्षम प्रणाली है। प्रणाली एक लेजर के शामिल है, एक ऑप्टिकल ट्रेन चश्मे / नमूना के लिए और लेजर ऊर्जा माप की ओर करने के लिए प्रकाश गाइड। लेजर ऊर्जा माप पक्ष चश्मे पीए / TIRPAS refractometry और OTPAS में कोणीय स्पेक्ट्रा के लिए / नमूना बारी बारी से करने के रूप में चित्रा 2 में दिखाया घटना लेजर ऊर्जा के लिए photoacoustic संकेत सामान्य करने के लिए प्रयोग किया जाता है। EFPA प्रणाली एक stepper मोटर चालक द्वारा संचालित है । प्रणाली एक डिजिटल अधिग्रहण कार्ड के माध्यम से डेटा प्राप्त कर लेता है और घर के कार्यक्रम में एक के माध्यम से एक यूजर इंटरफेस और स्वचालित चरण नियंत्रण प्रदान करता है।
Protocol
Representative Results
Discussion
The use of devices for the characterization of materials at the nanoscale will undoubtedly continue far into the future in order to produce new materials and combinations of materials to solve difficult and costly societal problems. Many methods such as ellipsometry, atomic force microscopy (AFM), and traditional photoacoustics are currently used to evaluate material properties at the nanoscale despite their inherent limitations due to few alternatives. EFPA shows promise as a consolidated set of techniques that can push beyond the typical limitations of the photoacoustic effect to provide a single instrument to characterize materials at the nanoscale.
The protocol described herein and its associated sub-techniques have the capability to estimate both bulk and thin film refractive indices of a material, film thickness, and have detection capabilities for a variety of biosensing applications. OTPAS specifically has the advantage that it can estimate the thickness and refractive index of nanometer scale films despite the fact that the films themselves do not contain inherently absorbing pigmentation. EFPA as a consolidated set of techniques has a few advantages over techniques such as ellipsometry, atomic force microscopy, and the traditional photoacoustic effect. The first advantage is that EFPA is comparatively inexpensive to set up. A typical EFPA setup can estimate refractive index from both the bulk and surface, can estimate thickness, and can probe absorbing materials and will cost around $5,000 to set up. In contrast, AFM setups cost around $50,000 and cannot estimate optical properties. Secondly, EFPA can estimate these properties within a few minutes without complex interaction such as in ellipsometry where input parameter error can cause differences in results. Finally, EFPA, when compared to the traditional photoacoustic effect, has axial resolution 100X smaller as it can estimate thickness of 200 nm films6 whereas the traditional photoacoustic effect is limited to 7,500 nanometers when using similar lasers and setup82. Conveniently, almost every material has independent and differing surface and bulk refractive index properties as well as absorptive properties, which collectively make for functional differences in their use in optical research systems.
Critical steps within the protocol come down to three primary considerations. First, optical coupling of the sample, whether that be a liquid or a film, is crucial to obtain reliable and repeatable results. Air bubbles within the immersion oil or sample will lead to inaccurate characterization of the thickness, refractive index, and in some cases a complete lack of sensitivity of the transducer to the excited sample owing to the inability of ultrasound to adequately pass through a liquid/air interface due to vastly differing acoustic impedance values. Second, with regard to OTPAS, a sample that is homogeneously thick in the area irradiated by the laser beam in order to provide consistent thickness values during scanning since as of yet EFPA cannot determine thickness differences within the area of excitation. Finally, again with regard to OTPAS, the sample film must be transparent to the wavelength being used. This is a fundamental assumption made in the mathematical equations that describe how OTPAS finds thickness and refractive index values. If absorption is substantial enough that more than 1% of the incident light is absorbed by the film, characterization will not match the real thickness and refractive index values of the film.
Modifications to the EFPA technique can be made with relative ease and other types of components can be substituted in for more effective scans or functionality. The only major issues that have to be addressed when building an EFPA system are the following. First, it is crucial to have a method of automatically rotating a prism mount and acquiring acoustic signals at small (0.05 degree) increments. Second, having a nanosecond pulse width or shorter laser system to excite samples using the photoacoustic effect. Third, having a graphical user interface or program to acquire the data to do mathematical curve fitting and numerical derivatives for estimating thickness and bulk/thin film refractive index.
There are three fundamental limitations to EFPA. The first is that in order to find the bulk refractive index, thin film refractive index, thickness, or detect materials using TIRPAS, the sample must have a refractive index that is less than that of the prism or substrate it is in contact with so that total internal reflection can occur which is the basis of all three of these techniques. The second limitation is that EFPA currently requires physical contact in order to estimate thickness, refractive index, and for detection of properties. The final limitation is that OTPAS, a sub-technique of EFPA, currently requires optically transparent materials to estimate thickness and refractive index of the thin film of interest.
This type of consolidated instrument could find many applications in characterization environments including research cores and industrial environments. Future work regarding EFPA techniques is focused on the improvement of the refractive index accuracy through improvements in instrumentation and translational/rotational stages. Additional advancements will focus around the improvement of signal-to-noise ratio for the detection of smaller quantities of absorbing materials, so as to characterize weakly absorbing materials, as are found most commonly in biological systems.
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
यह परियोजना राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन brige अवार्ड (1221019) द्वारा वित्त पोषित किया गया था।
Materials
| 100 mm plano convex lens | Thorlabs | LA1509 | Plano convex lens for beam expander |
| -30 mm plano concave lens | Thorlabs | LC2679 | Plano concave lens for beam expander |
| 10 MHz Ultrasonic transducers | Harisonic | I31006T | Ultrasonic sensors used for photoacoustic detection, both for laser energy measurement and for OTPAS mount |
| Immersion oil Type A | Cargille | 16482 | Index of 1.519 to match that of NBK-7 substrates |
| Natural latex rubber sheet (red) | McMastercarr | 86085K11 | Index ~1.519 to match that of Type A immersion liquid to act as an optical absorber to measure optical tunneling and laser energy |
| Laser goggles | VERE | 53 | Used to protect eyes from laser light |
| Cage mounted non polarizing beam splitter cube | Thorlabs | CM1-BS013 | Split laser light so that one half can be measured and one half can be used for excitation |
| Cage mounted polarizing beam splitter cube | Thorlabs | CM1-PBS251 | Ensure light is polarized before being used for optical tunneling experiments |
| Graduated ring activated iris diaphragm | Thorlabs | SM1D12C | Cut beam down to a smaller size for alignment |
| Data acquisition card | National Instruments | USB-5133 | USB oscilloscope to acquire data |
| Stepper motor driver | National Instruments | MID-7604 | Stepper motor driver to drive stepper motors for angular spectra |
| Sherline XY stage (14”) | Sherline | 5600-CNC/5610-CNC | Sherline XY stage |
| 4-jaw self centering chuck | Sherline | 1076/1034 | Sherline rotational attachment |
| Right angle attachment | Sherline | 3701 | Right angle attachment to attach rotational mount |
| CNC rotary table | Sherline | 8730 | Rotary table for holding OTPAS prism/sample |
| Surelite I-20 laser system | Continuum | I-20 | Q-switched Nd:YAG laser for exciting samples |
| NBK-7 prism | Thorlabs | PS911 | Right angle prism for EFPA |
| Adjustable torque wrench | Tohnichi | RTD40Z | Adjustable torque wrench to equally tighten down the EFPA mount for each technique to 16.75 g/mm |
| Digital level | Micromark | 84519 | Digital level to ensure EFPA prism holder starts at 0 degrees. |
Referências
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