홀로그램 이미징을 사용하여 자연 광자 구조의 숨겨진 역학 발견

요약

이 논문은 주로 나노 규모의 현상을 밝히는 데 사용되는 광학 (선형 및 비선형)과 홀로그램 방법의 결합 된 힘에 중점을 둡니다. 바이오 포토닉 및 진동 화학 반응의 연구에서 얻은 결과는 대표적인 예로서 제시되며, 나노 규모에서 역학을 드러내는 홀로그래피의 능력을 강조합니다.

초록

이 방법에서는 나노 규모에서 자연 시스템의 동적 반응에 대한 숨겨진 세부 사항을 발견하기위한 광학 및 홀로그래피의 잠재력이 활용됩니다. 첫 번째 부분에서, 천연 광자 구조의 광학 및 홀로그램 연구는 광영동 효과의 출현을위한 조건뿐만 아니라, 즉 나노 규모에서 광유도 열 구배로 인한 나노 구조의 변위 또는 변형을 제시한다. 이 효과는 온도에 의해 유도 된 곤충의 날개를 덮고있는 비늘의 변형을 모니터링하는 실시간 디지털 홀로그램 간섭 측정법에 의해 드러납니다. 광영동 효과의 출현으로 이어지는 기하학과 나노 주름 사이의 연관성이 실험적으로 입증되고 확인됩니다. 두 번째 부분에서는 홀로그래피가 복잡한 진동 브릭스-라우셔 (BR) 반응에서 발생하는 상전이 현상과 같은 비선형 역학을 가진 화학 시스템의 숨겨진 세부 사항을 밝히기 위해 잠재적으로 어떻게 사용될 수 있는지 보여줍니다. 나노 규모의 홀로그래피의 제시된 잠재력은 대기 중 연소되지 않은 탄화수소의 이동 및 다른 에어로졸의 분리, 미세 플라스틱의 분해 및 일반적으로 입자의 분별, 미크론 크기의 연료 입자의 온도 및 열전도도 평가를 포함하여 입자 포획 및 부상과 같은 다양한 응용 분야에 대한 광영동 효과 및 패턴 형성을 제어하고 성형 할 수있는 엄청난 가능성을 열어 줄 수 있습니다.

서문

나노 세계의 모든 독특한 현상을 완전히 이해하고 알아 차리려면 나노 규모의 구조와 역학에 관한 모든 세부 사항을 밝힐 수있는 기술을 사용하는 것이 중요합니다. 이 계정에서, 선형 및 비선형 방법의 독특한 조합, 나노 규모에서 시스템의 역학을 드러내는 홀로그래피의 힘과 결합 된 것이 제시됩니다.

설명된 홀로그램 기술은 주어진 시간에 신호가 사진 카메라, 열상 카메라 및 간섭계에 의해 동시에 기록되기 때문에 트리플 레코딩 방법(rec는 녹화의 약어임)으로 볼 수 있다. 선형 및 비선형 광학 분광법 및 홀로그래피는 잘 알려진 기술이며, 그 기본 원리는 문헌 ^1,2에 광범위하게 설명되어 있습니다.

긴 이야기를 짧게 줄이기 위해 홀로그램 간섭 측정은 시스템의 역학을 특성화하기 위해 서로 다른 순간에 기록 된 웨이브 프론트를 비교할 수있게합니다. 이전에는 진동 역학 ^3,4를 측정하는 데 사용되었습니다. 가장 간단한 간섭 측정 방법으로서의 홀로그래피의 힘은 시스템 내에서 가장 작은 변위를 감지하는 능력에 기반합니다. 첫째, 우리는 홀로그래피를 이용하여 다른 생물학적 구조에서 광영동 효과⁵ (즉, 광유도 열 구배로 인한 나노 구조의 변형의 변위)를 관찰하고 밝혔습니다. 상기 방법의 진정한 프리젠테이션을 위해, 대표적인 샘플은 다수의 시험된 생물학적 표본⁶으로부터 선택되었다. 스페인 여왕의 날개 fritillary 나비, Issoria lathonia (Linnaeus, 1758; I. 라토니아)를 본 연구의 틀에서 사용하였다.

생물학적 조직에서 나노스케일에서의 광영동(photophoresis)의 발생을 성공적으로 입증한 후에, 진동 화학 반응에서의 상전이에 의해 야기된 자발적 대칭 파단 과정⁽⁷)을 모니터링하기 위해 유사한 프로토콜이 적용되었다. 이 부분에서, 화학적으로 비선형 BR 반응에서 발생하는 낮은 농도의 요오드 및 요오드 (상태 I이라고 함)에서 고농도의 요오드 및 요오드와 고체 요오드 형성 (상태 II로 정의됨)으로의 상 전이가 연구되었다 ^8,9. 여기에서, 우리는 응축 된 시스템에서 발생하는 나노 규모에서 그러한 위상 전이와 자발적 대칭 파괴 역학을 연구 할 수있는 홀로그램 접근법을 처음으로보고했습니다.

프로토콜

1. 선특성화

1. 샘플의 전체 사전 특성화를 수행합니다.
   1. 상업적 공급원으로부터 구입한 건조 시편에 대한 모든 실험을 수행하십시오. 샘플을 실험실, 건조하고 어두운 곳, 실온에서 보관하십시오.
   2. 홀로그램 측정 전에 전자 현미경(SEM), 선형 광학 분광법 및 비선형 광학 현미경(NOM)¹⁰ 을 스캔하여 완전한 샘플 특성화를 수행합니다(그림 1).
   3. 선형 기술로 측정 된 샘플의 광학 특성 외에도 비선형 광학 특성을 특성화 할 수있는 고강도 레이저 빔으로 보충 정보를 수집하십시오.
   4. 해당 비선형 광학 감수성을 사용하여 비선형 광 반응을 정량화하고 다양한 생물학적 샘플을 특성화하는 데 사용되는 비파괴 다중 광자 여기 형광 및 초고조파 생성 (SHG)과 같은 비선형 광학 기술의 기초를 형성하십시오.
   5. 진동하는 BR 반응에서 발생하는 비선형 화학 현상에 대해, 다음과 같은 농도의 반응물을 갖는 상태 I에서 상태 II로의 계내 상 전이의 간섭 모니터링에 대한 연구를 수행한다: [_CH2(COOH)₂]0 = 0.0789 mol dm-3, [MnSO4]0 = 0.0075 mol dm-3, [HClO4]0 = _0.03 mol ^dm-3, [KIO₃] ₀ = 0.0752 mol dm-3 및 [_H2O2]0 = 1.269 mol ^dm-3 (₀ 브라켓 후 공정의 시작에서의 초기 농도를 나타냄). BR 반응에 사용된 총 부피를 2.5 mL와 동일하게 만든다.
      참고 : 여기에 사용 된 농도 값은 Pagnacco et ^al.8의 연구에서 나온 농도 값과 동일하지만 반응 부피를 10으로 나눈 값입니다.
2. 실험을 위해 샘플을 준비합니다.
   1. 이 실험을 위해 스페인 여왕 fritillary butterfly, I. lathonia 의 날개를 사용하십시오. 날개를 단단한 표면에 놓고 직경 10mm 커터가있는 섹션을 만듭니다. 뚜껑이있는 용기가 될 수있는 샘플 상자에 샘플을 넣으십시오.

그림 1: 나비 날개 스케일의 물결 모양의 단면. 단면을 비선형 광학 주사 현미경(A,B)에 기록하였다. 스페인 여왕 fritillary butterfly, I. lathonia의 날개에 대한 SEM 관찰 (C)도 수행되었습니다. 이 수치는¹⁴에서 수정되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

2. 실험 설정

1. 홀로그램 설정
   참고: 홀로그램 간섭 측정은 맞춤형 광학 설정으로 수행되었습니다(그림 2).
   1. 실험실 온도를 23°C ± 0.2°C가 되도록 조정한다. 레이저를 켭니다. 이러한 홀로그램 관찰을 위해 여기 파장이 532nm인 레이저( 재료 표에 제공된 세부 사항)를 사용하십시오.
   2. 광학 요소의 정렬을 확인합니다(그림 2). 먼저 그림 2의 구성표에 따라 설정이 이루어 졌는지 확인하십시오.
   3. 레이저 빔을 오목한 거울과 완벽하게 정렬하십시오 M. 광학 빔 확장기 (L)의 위치를 확인하고 조정하십시오.
   4. 샘플 S에 충돌하는 빔 부분을 결정하고 반사 빔 O를 형성하는지 확인하십시오. 나머지 빔이 구형 미러 CM에 수집되어 기준 빔 R을 생성하는 데 사용되는지 확인하십시오. 검출기 C가 두 개의 지정된 빔의 간섭 영역 내에 배치되어 있는지 확인하십시오.
      참고: 보완 금속 산화물 반도체(CMOS) 센서가 검출기로 사용됩니다.
   5. 사용된 카메라의 지침에 따라 카메라를 설정합니다. 그림 2 와 같이 홀로그램 실험을 위한 광/사진 카메라를 설정합니다(C는 카메라이며, 자세한 내용은 재료 표에 나와 있음). BR 반응의 가시적인 변화를 볼 수 있도록 두 번째 광학/사진 카메라와 열 분해능이 50mK이고 광학 테이블 위의 초점 거리가 13mm인 열상 카메라를 설정합니다.
      참고: 홀로그램 실험에 사용된 카메라는 대물 렌즈를 사용하지 않습니다. 빛이 칩에 직접 충돌합니다.
2. 샘플을 홀로그램 설정으로 준비합니다.
   1. 단계 1.2.1에서와 같이 날개 샘플을 준비한다. 준비된 샘플을 직경 15mm의 둥근 금속 지지체 위에 놓습니다. 지지대에는 샘플을 고정하는 금속 링이 부착되는 나사에 대한 세 개의 기존 구멍이 있습니다.
   2. 지지대에 링을 부착합니다. 부착된 샘플을 광학 테이블에 있는 샘플 마운트의 일부에 배치합니다.
   3. 화학 반응 모니터링을 위해 샘플을 준비하십시오. 광학 테이블의 의도 된 장소에 큐벳 / 용기가 배치 될 평평한 접착 표면이있는 지지대를 놓습니다.
   4. 단계 1.1.5에서와 같이 반응을 초기화하는데 사용되는 시약을 준비한다. 반응물을 큐벳 내로 채우고, 쿠벳에서 다음과 같은 부피 및 농도의 순서로 혼합한다: 0.7 mL의 0.2817 mol ^dm-3CH2(COOH)₂; 0.5 mL의 0.0375 몰 ^dm-3MnSO4; 0.5 mL의 0.15 몰 ^dm-3 HClO4; 0.5 mL의 0.376 몰 ^dm-3 _KIO3; 및 0.3 mL의 10.575 몰 ^dm-3H2O2를_포함한다.
   5. 큐벳의 총 부피가 2.5mL인지 확인하고 설치 시 지지대에 놓습니다.
   6. 필요한 경우 추가 계측기를 설정합니다. 광영동 효과를 모니터링하려면 국소 가열을 위해 추가 레이저 ( 재료 표에 제공된 세부 사항)를 사용하십시오.

그림 2: 홀로그램 설정 그림은 홀로그램 실험을 위해 다양한 구성 요소가 배열되는 방법을 보여줍니다. 약어: L1 = 532nm에서의 레이저, L = 쌍볼록 렌즈, A = 조리개, M = 레이저 빔을 편향시키는 데 사용되는 평면 거울, CM = 오목한 거울, C = CMOS 카메라, S = 나비 날개 섹션, R = 참조 빔, O = 물체 빔. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

3. 사용 된 소프트웨어의 설정

참고: 프레넬 근사치¹¹ 을 기반으로 하는 자체 빌드 C++ 소프트웨어는 홀로그램 실험의 데이터를 분석하는 데 사용됩니다. 제시된 연구를 위해 개발 된 소프트웨어는 에서 찾을 수 있습니다. ¹² 소프트웨어의 세부 사항은 현재 게시 할 수 없습니다. 그러나 요청시 추가 정보가 제공됩니다. 프레넬 근사는 서로 다른 표면에 초점을 맞추고 기록된 장면에 대한 완전한 정보를 포함하는 첫 번째 회절 순서의 영역을 확대하기 때문에 디지털 홀로그래피에서 매우 유용합니다.

1. 컴퓨터를 켜고 소프트웨어를 실행하십시오.
   참고: 소프트웨어 실행 단계는 소프트웨어 자체에 따라 다릅니다. 이 목적을 위한 상용 소프트웨어는 없습니다.

4. 실험 수행

1. 외부 표시등을 끕니다. 어두운 방에서 전체 실험을 수행하십시오.
2. 선택한 간격을 사용하여 카메라를 동기화합니다. 이 실험에서는 60초 후에 홀로그램 카메라를 시작하고 그 직후에 소프트웨어 또는 수동으로 다른 두 대의 카메라를 시작합니다.
3. 녹음 버튼을 누르고 녹음이 시작될 때 소프트웨어에서 정의하십시오.
4. 관심 시스템의 동적 변화를 유도합니다. 개시 방법은 샘플의 유형에 따라 다릅니다. 광영동 효과의 경우, 사용 가능한 레이저를 사용하여 샘플을 외부에서 가열합니다 : 450 nm, 532 nm, 660 nm, 980 nm. BR 반응의 경우, 화학 반응물을 혼합하여 반응을 시작한다. 홀로그램 실험을 관찰하십시오.
5. 사진 및 열상 카메라를 설정하여 전체 실험을 따르고 광학 및 열 측정에서 홀로그램 녹화가 끝나는 순간을 결정합니다.
6. 과정의 끝을 발음하십시오. 녹음의 끝은 프로세스의 예상 지속 시간에 따라 미리 프로그래밍됩니다. BR 반응의 경우, 반응의 종료로서 응고를 사용한다. 광영동 효과의 경우, 그러한 특정 순간은 없습니다. 어쨌든이 단계는 트리플 녹음의 중요성을 강조합니다.

5. 결과 획득¹²

1. 결과를 저장합니다. 홀로그램을 재구성하고 심층적인 데이터 분석을 위한 시간의 함수로 파일을 정확하게 정렬합니다.
   참고: 이 단계에서는 홀로그래피에 사용되는 카메라에서 촬영 날짜의 이름을 딴 폴더의 컴퓨터(하드 디스크)로 데이터가 전송됩니다. 복사/붙여넣기 및 이름 바꾸기 단추를 사용합니다.
2. 프로브 홀로그램에서 적절한 설정을 확인합니다. 이러한 방식으로 첫 번째 홀로그램에서 최상의 설정을 선택한 다음 모든 홀로그램을 재구성하는 데 사용됩니다.
   1. 이전에 만든 폴더(5.1단계)에서 홀로그램 중 하나를 클릭하여 홀로그램 하나를 선택하고 재구성 단추를 클릭하여 재구성 합니다.
   2. 설정을 변경하여 최상의 이미지를 얻고 재구성을 다시 만듭니다. 샘플링, 오프셋 및 프레넬 거리와 같은 매개 변수를 조정하는 옵션이 화면에 나타납니다 (소프트웨어 메뉴). 최상의 설정이 정의될 때까지 이 단계를 반복합니다.
   3. 재구성을 수행합니다. 파일 열기 단추를 클릭하고 모든 파일을 선택하여 모든 홀로그램을 선택합니다. 홀로그램의 수치 재구성을 위해 원하는 매개 변수를 적용하십시오. 5.2.1 단계 후에도 변경되지 않으므로 이번에는 아무 작업도 수행하지 마십시오.
   4. 재구성 단추를 사용하여 재구성을 수행하고, 시작 위치/끝 필드에 파일 이름을 삽입한 다음 배치(Batch) 단추를 클릭하여 인터페로그램을 수행합니다. 인터페로그램은 이전에 만든 폴더에 나타납니다(5.1단계).
      참고: 일련의 홀로그램을 시간 내에 기록한 후 첫 번째 홀로그램은 흔들리지 않은 상태를 나타내는 반면, 외부 힘의 작용으로 인해 후속 홀로그램이 발생합니다. 시프트된 프레넬 변환(¹³)을 사용하여 홀로그램을 재구성할 필요가 있다.
   5. 얻은 첫 번째 홀로그램과 시간에 따라 특정 홀로그램의 빼기 (복소수 환산)로 인터페로그램을 얻습니다.
      참고: 이 프로토콜을 사용하면 물체에 대한 힘의 영향을 관찰할 수 있습니다. 시간의 함수로서의 간섭 패턴의 변화는 측정 중에 시스템 내에서 발생하는 변형 또는 변위의 결과입니다. 이러한 변화는 나노 규모에서 시스템의 역학을 모니터링하는 데 사용됩니다.

6. 결과 분석

1. 프로세스의 첫 번째 품질 관리 단계로 시각적 분석을 수행합니다. 이 단계에서는 간섭 패턴의 가시적 변화를 찾고 간섭 패턴의 변화를 광학 및 열 측정으로 얻은 결과와 일치시킵니다.
2. 모든 녹음에 대한 교차 검사를 수행하십시오. 분석의 두 번째 단계에서는 나노 규모의 역학을 밝히기 위해 홀로그램 재구성을 통해 광학 및 열상 카메라의 이미지를 시각적으로 철저히 분석합니다. 이런 식으로 반응 순간은 홀로그램, 열 및 사진 이미지에서 동시에 볼 수 있습니다.
3. 수치 / 소프트웨어 분석을 기반으로 결과를 그래픽으로 표현하고 그래프 (1D, 2D 또는 3D), 차트, 히스토그램 등의 형태로 제시하십시오. 결과를 완전히 분석 한 후 결론을 도출하고이를 기반으로 추가 연구를 기대하십시오.

결과

광영동 효과를 유도하고 모르포메넬라우스 나비⁵의 날개에 대한 첫 번째 실험에서 모니터링하였다. 이 효과는 다양한 파장 (450nm, 532nm, 660nm 및 980nm)의 LED 레이저의 작용에 의해 시작되었습니다. 여기서, I. 라토니아 나비⁽¹⁴ )로부터의 날개가 사용되었다. 기록 절차 후에, 홀로그램 이미지가 재구성되었다.

토론

제시된 바이오 포토닉 연구에서, 새로운 홀로그램 방법을 사용하여 낮은 수준의 열 복사로 인한 최소한의 형태 학적 변위 또는 변형을 감지 할 수 있음을 보여주었습니다.

생물학적 샘플을 사용한 홀로그램 측정에서 가장 중요한 단계는 준비 단계입니다. 샘플의 준비 (홀더의 크기와 일치하는 절단 / 접착)는 샘플의 기계적 특성에 따라 다르며이 단계에 대한 표준 프로토콜을 ...

자료

Name	Company	Catalog Number	Comments
Active Vibration Isolation, Four Optical Table Supports	Thorlabs	PTR502	High Load Capacity: 2,500 kg, Height 600 mm
Cuvette			Standard glass cuvette
Holographic camera (optical camera for holography)	Cannon	EOS 50D	Sensor Size 22.3 x 14.9 mm; Pixel pitch 4.69 µm; Max. resolution 4752 x 3168; JPEG file format
Hydrogen peroxide, H2O2	Merck (Darmstadt, Germany)
Laser	Laser Quantum	Torus 532 laser	Wavelength 532 nm; Power 390 mW; Coherence length 10 m
LED lasers
Malonic acid, C3H4O4	Acrs Organics (Geel, Belgium)
Manganese sulphate,  MnSO4	Fluka (Buchs, Switzerlend)
Nonlinear optical microscope	IPB
Optical accessories	Thorlab
Optical spectroscope
Optical table	Thorlabs	TOP450II PTR52509	dimensions 2000*1250*310 mm
Perchloric acid, HClO4	Merck (Darmstadt, Germany)
Potassium iodate, KIO3	Merck (Darmstadt, Germany)
Software			Home-build software made by one of the authors: Dusan Grujic. This software was conducted in partial fulfillment of the requirements for the PhD deegree of D.G.
Thermal camera	Flir	A65	640x512 pixel; Thermal resolution 50 mK
Video camera	Nikon	1v3	18.4 Mpixel; 60 fps