Evanescent поля на основе фотоакустика: Оптическая Оценка недвижимости на поверхностях

Резюме

Здесь мы приводим протокол для оценки материала и поверхностные оптические свойства, используя Фотоакустический эффект в сочетании с полным внутренним отражением. Эта техника затухающих фотоакустика поле на основе могут быть использованы для создания фотоакустической метрологическую систему для оценки толщины, объемные и тонкие пленки рефракционных индексов материалов ", а также изучить их оптические свойства.

Аннотация

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.

Введение

Успехи в понимании оптических материалов ^{1,3,4,6,7,10,13-16} предоставили новые идеи в создании тонких пленочных материалов для целого ряда оптических устройств, в том числе просветляющих покрытий на линзы, высокий коэффициент экстинкции оптического фильтры и сильнопоглощающие плиты волноводы ^17. Эти достижения были бы невозможны без использования многих методов определения характеристик, таких как эллипсометрии ^4,6,18, измерения угла контакта, атомно - силовой микроскопии ^7,11,19 и сканирующей / трансмиссионной электронной микроскопии, которые помогают в итерационном улучшении эти технологии путем предоставления прямых мер или косвенные оценки фундаментальных оптических свойств материала. Упомянутые свойства, такие как показатель преломления, регулируют, как материалы взаимодействуют с падающих фотонов, которые непосредственно влияют на их функцию и их использование в оптических приложений. Тем не менее, каждый из этих методов имеет свои ограничения, связанные с resoluции, подготовка проб, стоимость и сложность, и каждый генерирует только часть данных, необходимых для полной характеристики материала. Это , как говорится, новый набор методов, известных как затухающих фотоакустика базирующихся на местах (EFPA) ^{5,6,15,18,20-49} , как показано на рисунке 1, имеет потенциал для оценки свойств материалов на наноуровне в сводный множество экспериментов. EFPA охватывает суб-методы полного внутреннего отражения фотоакустическом спектроскопии (TIRPAS) ^{23,25,26,33-35,43-45,} фотоакустическая спектроскопия / полное внутреннее отражение фотоакустическая спектроскопия рефрактометрии (ССА / TIRPAS рефрактометрии) ^18, и оптический туннельный фотоакустическом спектроскопии (OTPAS) ^6, и используется для оценки объема и тонкой пленки показатель преломления, толщина пленки, а также для обнаружения поглощающих материалов на призмы / образец или раздела подложка / образца.

Для того, чтобы понять механизм EFPA, одиндолжны сначала понять концепцию фотоакустическом спектроскопии (ПАС), которая относится к генерации ультразвуковых волн давления быстрым термоупругой расширения хромофора, после поглощения ультра-коротких (<микросекунды) импульса света (рисунок 1). Теоретическая и математическая основа для фотоакустическом эффекта , описанного в этом документе , можно получить здесь ^50-59. Результирующее изменение давления может быть обнаружен с помощью ультразвукового микрофона или датчика. Фотоакустический эффект, первоначально обнаруженный в 1880 году с изобретением фотофон Александра Грэма Белла, была "вновь открыта" в начале 1970-х годов из-за достижения в области лазерной и технологии микрофона, и в конечном итоге положить в практическое использование, чтобы заполнить нишу приложений от биомедицинской визуализации для тонкой пленки анализ для неразрушающего контроля материалов. ^{1,53-57,59-82} Этот эффект может быть математически описана с одномерными волновых уравнений, в которых ее волна представляет собой простой источник звука которого давление (р) изменяется как в положении (х) и время (т):

решения для простых акустических источников вида ⁶⁴

где р давление, Γ = αv _s ² / С _р , где α коэффициент объемного теплового расширения, v _s является скорость звука в среде, и С _р есть теплоемкость при постоянном давлении, Н ₀ является лучистая экспозиция лазерного луча, с - скорость звука в среде , возбужденной, х длина, и т является время. Величина результирующего акустической волны зависит непосредственно от коэффициента оптического поглощения материала, мкА, WHICH является инверсией от глубины проникновения оптического, б, которое в свою очередь является мерой расстояния свет проходит до тех пор, пока не спадает до 1 / е от его исходной оптической интенсивности. В то время как уравнение (1) представляет собой общее уравнение для источника волн в одной мерной плоскости, типичные поглотители будет излучать сферическую акустическую волну в трех измерениях. Помимо математического описания, применение фотоакустическая эффект ⁵⁴ пролетов многих методов в визуализации , таких как микроскопии, томографии и даже молекулярной визуализации вследствие фотоакустическом эффекта , имеющего высокую чувствительность из - за большого оптического поглощения , обусловленные естественным образом присутствуют хромофора гемоглобина. Другие применения фотоакустическом эффекта даже включать оценку различных тонких свойств пленок ^{15,16,20,21,24,26-32,36-39,41,42,56,83,84.} Однако PAS имеет определенные ограничения: (1) его обширная глубина проникновения оптического исключает возможность проверки ближнего поля на оптические свойства поверхностей (2)s эффективность улавливания излучаемого акустической энергии мала из-за сферической распространения большинства энергии от детектора (3) образцы должны включать хромофоров в режиме длины волны рассматриваемой.

В сочетании с затухающими методами полевых основе, тем не менее, многие из этих ограничений могут быть облегчены. Затухающих поле возникает, когда луч света испытывает полное внутреннее отражение (TIR), как описано законом Снеллиуса, что эффект позволяет также волоконно-оптические волноводы, чтобы направлять свет на большие расстояния (км) для вычислительных и телекоммуникационных приложений. В практических вариантах применения затухающих поле используется в различных методов анализа характерных особенностей и визуализации технологий, в том числе нарушенного полного отражательной спектроскопии (ATR). Обработки изображений достигается с высокой контрастностью благодаря удержанию света в течение первых нескольких сотен нанометров в образец интереса. Затухающих поле принимает форму exponentiallу затухающей поле, которое распространяется во внешнюю среду на глубину проникновения оптического, что, как правило, порядка длины волны используемого (обычно ~ 500 нм или меньше), как показано в уравнениях 3 и 4.

где I- интенсивность света в% на месте г от границы раздела призмы / образца, I ₀ , начальная интенсивность света в% на границе раздела, Z является расстояние в нанометрах, а δ _р глубина оптического проникновения , как показано в уравнении 4. при такой небольшой глубины проникновения оптического, эванесцентной поле может взаимодействовать с окружающей средой очень близко к границе раздела двух материалов, а также существенно ниже оптических и акустических дифракционных пределов. Оптические свойства материалов или частиц в этом диапазоне может возмущать поле или иным образом изменять свое поколение, которое взаимодействие можно обнаружить с помощью различных методов , ^3,5,6,10,15,17,18,21,23,25-27,29-47,84-95.

Когда затухающих методы сочетаются с PAS, Фотоакустический формы волны , полученные могут быть использованы для характеристики материалов или частиц , взаимодействующих с затухающей поле, создавая мимолетную-поля на основе фотоакустика семьи (EFPA) методов, как показано на рисунке 1. Это семейство включает в себя, но не ограничивается ими, полное внутреннее отражение фотоакустическая спектроскопии (TIRPAS), оптический туннельный фотоакустическая спектроскопии (OTPAS), и поверхностного плазмонного резонанса фотоакустическом спектроскопии (SPRPAS). Заинтересованный читатель должен обратиться к следующим ссылкам для дифференцирования уравнений , используемых для TIRPAS ^{5,6,18,23,25,26,33-35,43-47,} PAS / TIRPAS рефрактометрия ¹⁸ и OTPAS ^6. В каждом случае Фотоакустический эффект генерируется с помощью другого механизма возбуждения, чем просто пропусканием через призму; например, в TIRPAS, свет evanescentlyв сочетании через / подложки / интерфейс образца призмы в хромофоров (которая может включать сам образец материала или гостевые молекулы в образце), тогда как в SPRPAS, основной способ возбуждения вместо того, чтобы за счет поглощения поверхностного плазмона, которая вторичный ЭМ волны создается, когда энергия исчезающего поля переносится в электронное облако металлического слоя, нанесенного на поверхность призмы. Это семейство методов первоначально был изобретен в начале 1980 - х Hinoue и др., А также улучшены Т. Инагаки и др. С изобретением SPRPAS, но видел очень мало развития из - за технических ограничений , источников света и имеющегося оборудования для обнаружения , Совсем недавно, предыдущие исследования показали, что повышенная чувствительность и полезность возможны с современной поливинилиденфторид (ПВДФ) ультразвуковых детекторов и с модуляцией добротности неодимом иттрий-алюминиевом гранате (Nd: YAG) лазеров. В частности, наносекундным импульсным Nd: YAGлазеров приводят к 10 ⁶ кратное увеличение пиковой мощности, что позволяет технику EFPA стать полезным инструментом для оценки оптических свойств различных материалов и интерфейсов ^{5,6,15,18,21-29,31-47,84 , 96.} Кроме того, предыдущая работа также показывает , способность таких методов , чтобы определить структурную информацию о материалах на границе раздела, который не был ранее никогда достижимо с традиционными фотоакустическая спектроскопии (ПАС) технологии из - за их относительно большой глубины проникновения ^{53,55,57,59, 61,62,69,73,75,80,81.}

Эта возможность показана в протоколах, которые следуют по методике OTPAS; Однако, на более фундаментальном уровне три метода каждый полагаются на другом окончательное уравнение, которое определяет возможности технологии. Например, в TIRPAS, оптической глубины проникновения исчезающего поля, б _'р, в первую очередь приводит в результате акустическиеинтенсивности сигнала к поглощающим образца, и описывается следующим образом:

где λ ₁ длина волны света , проходящего через призму среды и определяется соотношением Х ₁ = λ / N ₁ , где N ₁ является показатель преломления материала призмы. Кроме того, θ обозначает угол возбуждения, и N ₂₁ относится к соотношению показателей преломления каждой среды и определяется N ₂₁ = N ₂ / N _1, в которой N ₂ показатель преломления материала образца. Чем больше глубина оптического проникновения, тем больше материала облучается. Для фотоакустическом эффекта, тем больше глубина оптического проникновения, тем больше материала возбуждается, что может производить акустические волны, ведущие к большей акустического сигнала.

В отличие от TIRPAS однако, в программе PAS / TIRPAS рефрактометрии первичное уравнение закон Снеллиуса:

где N ₁ показатель преломления призмы, θ ₁ является угол падения на границе раздела призмы / образца, N ₂ является показатель преломления образца, и θ ₂ является углом света , который преломляется через второй средний. Чувствительность оценки показателя преломления материала , в основном за счет точности оценки & thetas _1. В полного внутреннего отражения, которое достигается , когда θ ₁ находится за пределами критического угла , который генерирует мимолетную поле, SIN & thetas ₂ = 1 и , следовательно, уравнение 5 сводится к п ₂ = п ₁ sinθ _1. (Примечание: θ ₁ =θ _{критическое)} Зная угол , при котором численное производная (дР / dθ где Р от пика до пика напряжения фотоакустическом сигнала и & thetas является угол падения света с образцом) фотоакустического сигнала имеет локальные минимумы позволяет для оценки ф ₁ , что позволяет пользователю решить для п ₂ и , таким образом , оценить объемную преломления образца , как показано на рисунке 1.

И, наконец, в OTPAS следующее уравнение связывает оптическую передачу сигнала в% к фотоакустическом от пика до пика напряжения путем:

где Т представляет собой процент передачи оптических сигналов, р представляет собой напряжение от пика до пика , порожденное углового спектра подложки с пленкой на ней, р ₀ это напряжение от пика до пика , порожденный угловым спектром OФ.А. субстрат, β константа связи на основе показателя преломления призмы и иммерсионного масла, α является коэффициент затухания, и является фактором , который включает в себя толщину и показатель преломления пленки образца в пределах исчезающего поля. Чувствительность этого метода для толщины и показателя преломления обусловлен точности оценки от пика до пика акустических интенсивности сигнала, р и р ₀ при каждом угле падения в угловом спектре. Было показано , что β может быть непосредственно вычислен на основе показателей преломления призмы и иммерсионного масла; следовательно, это простая задача для расчета оптической передачи при каждом угле падения и затем извлечь оценку для показателя преломления и толщины пленки на основе статистического анализа подгонки кривой. Заинтересованный читатель должен обратиться к Гольдшмидт и др. Для получения дополнительной информации. ^5,6

Tон EFPA система представляет собой систему на основе фотоакустическая способна оценить толщину, тонкий показатель преломления пленки, навальный показателя преломления и генерации акустических сигналов через оптического поглощения для обнаружения. Система состоит из лазера, оптический поезд, чтобы направлять свет призмы / образца и в сторону измерения энергии лазерного излучения. Сторона измерения лазерная энергия используется для нормализации ФА - сигнала к падающей энергии лазера , как показано на рисунке 2. Система EFPA управляется водителем шагового двигателя для вращения призмы / образец для угловых спектров в PAS / TIRPAS рефрактометрии и OTPAS , Система получает данные через цифровую карту сбора и предоставляет пользовательский интерфейс и автоматизированного управления стадии через в домашней программе.

протокол

1. Настройка системы

1. Используйте цианакрилатного эпоксидный прилипать диаметром 9 мм, 1 мм толщиной красный латексный резиновый цилиндр на передней поверхности одного 10 МГц ультразвуковой преобразователь и использовать цианакрилатного эпоксидный прилипать диаметром 9 мм, толщиной 1 мм, красный латексный резиновый цилиндр толщиной до 6 мм, акриловый блок, который затем эпоксидной смолой таким же образом к опорному ультразвукового преобразователя, чтобы действовать в качестве акустического спейсером.
2. Установите оптический поезд, который имеет расширитель луча попадания лазера в первую очередь. Затем поместите вручную регулируемой диафрагмы второй. Наконец использовать поляризационный расщепитель лучей куба в качестве третьего элемента и поместить ультразвуковой датчик не в держатель призмы EFPA и датчик в держатель призмы EFPA на каждом выходе неполяризующих расщепитель луча.
   Примечание: поляризационный расщепитель луча куб используется для обеспечения чистой, одиночную поляризацию для возбуждения, так как это имеет решающее значение для правильного функционирования всех методов EFPA.
3. Разверните ИсходящИНГ лазерного луча с помощью линзы для создания расширитель луча, по меньшей мере, 3 раза с Q-Switched Nd: YAG лазер.
   Примечание: Луч намеренно негабаритные по сравнению с латексной резины абсорбером на преобразователе образца в целях обеспечения нормальной работы датчика несмотря лазерного света уходят из-за преломления через призму при различных углах падения.
4. Совместите оптический поезд и держатель призмы EFPA таким образом, что плоская сторона горы возле призмы будет установлен под углом 0 °, используя цифровой уровень. Это гарантирует правильную начальную точку для углового спектра данных, которые будут собраны в ходе экспериментов.
5. Подключение питания и внешних устройств, таких как осциллограф, шагового двигателя драйвер на компьютер, ультразвуковых датчиков и сценических двигателей XY. Физически подключить датчик не в призме EFPA крепление к ch0 и физически подключить датчик в призме EFPA крепление к Ch1 через 50 Ом BNC кабели. Программное обеспечение предварительно запрограммирован распознаватьcoustic сигналы от этих конкретных каналов.

2. EFPA Инициализация системы и оптической регулировки

1. Ручная регулировка диафрагмы регулируемое, чтобы блокировать луч диаметром 1 мм.
2. Запустите программное обеспечение для программирования (например, LabVIEW), установите угол до 70 ° при нажатии зеленой кнопки "Move" , чтобы переместить крепление на угол , необходимый для возбуждения 70 ° на границе раздела призмы / образца.
3. Используя соответствующие очки лазерной безопасности (OD 7+ при 532 нм), смотреть в призму со стороны, перпендикулярной оси лазерного луча и вручную переместить сцену в X и Y осей с помощью ручного колеса до 1 мм лазерное пятно не является флуоресцентно видимым на каучукового латекса. Убедитесь в том, что пучок сосредоточен на латексе.
4. Разверните регулируемой вручную диафрагму до максимального открытия и посмотреть на запущенной передней панели программы, чтобы обеспечить как энергия лазера измерения ФА-сигнала от призмы горе EFPA (красный лINE) и фотоакустическая сигнал от бокового лазерного измерения энергии (белая линия) открыты и имеют примерно одинаковую амплитуду.
5. Остановите программу, нажав на кнопку "STOP".
   Примечание: Если кнопка не нажата призмы должны быть сброшено вручную, прежде чем продолжить тестирование. После того, как протокол инициализации завершен, TIRPAS, PAS / TIRPAS рефрактометрии или OTPAS могут быть выполнены.

3. TIRPAS Техника

1. Поместите призму в пластиковой призмы Переходник крепления , как показано на рисунке 3. Затем поместите 2,5 мкл индекса иммерсионного масла , согласованный с типом призмы , используемой в направлении центра призмы и многослойный масло, помещая подложку поверх масляный слой.
2. Поместите 25 мкл образца на латексного каучука , соединенного с преобразователем в EFPA креплении датчика , как показано на рисунке 3 , таким образом , что он покрывает всю поверхность без образования пузырьков. Образец можетбыть любой оптически поглощающий материал, такой как раствор красителя, биологической жидкости или анализируемого вещества суспендируют в растворе. Ни одна подготовка образца не требуется. Сжать призма крепление и затянуть крепление вместе с крепежными винтами с установленным крутящим моментом 16,75 г / мм для каждого винта.
3. Выберите вкладку "Настройка" и выберите "Настройка" на раскрывающемся меню.
4. Запуск программы под названием OTPAS тонкая пленка analyzer_USB-5133.vi (Дополнительный файл).
5. Просмотр акустического сигнала , генерируемого в образце , как показано на рисунке 4.
   Примечание: Угол падения может быть изменен для управления оптической глубины проникновения исчезающего поля для наблюдения тоньше или толще оптических участках образца.

4. PAS / TIRPAS Рефрактометрии

1. Поместите призму в пластиковой призмы Адаптер для установки , как показано на рисунке 3. Затем поместите 2,5 мкл индекса иммерсионного масла подобрана к типу призмы , используемой, на йе центр призмы и многослойный масло, помещая подложку поверх слоя масла.
2. Поместите 25 мкл образца на резиновой части , соединенного с преобразователем в EFPA креплении датчика , как показано на рисунке 3. Сжать призма крепление и затянуть крепление вместе с крепежными винтами с установленным крутящим моментом 16,75 г / мм для каждого винта.
3. Выберите вкладку "Угловой спектр" и выберите "Угловой спектр" в раскрывающемся меню. Далее, введите соответствующие параметры в программе , как показано в таблице 1.
4. Запустите программу и подождите, пока угловой спектр не был завершен и программа закончилась.
5. Щелкните правой кнопкой мыши на угловой графе спектра и выберите "данные Экспорт → Экспорт в Excel", чтобы сохранить данные и открыть файл в формате CSV.
   1. Открыть данные в программе построения графиков (например, Kaleidagraph), а также выполнять численное производную на нем , нажав на "Макросы" и выбрав & #34; Производная ". Введите соответствующий столбцы взять производную от и нажмите" Хорошо "и численное производная будет вычислена.
   2. Graph числовой производной от угла и выберите "Curve" подгонку. Выберите "Smooth" вариант ^5,18,98 и установите флажок данных под "кривой подгонки выборов" , чтобы соответствовать , чтобы сгладить шум от данных. Выберите стрелку вниз под "View" и выберите "Копировать кривую размеру окна данных" для извлечения соответствующей кривой данных в другой колонке.
6. поиск вручную с помощью подбора кривой, чтобы найти локальный минимум и соответствующий угол падения, который указывает на переход от PAS к режимам TIRPAS. Этот минимум соответствует измеренному критическому углу, как показано на рисунке 5. Используя уравнение п = п _{образец призма} грех ф _C, вычислить объемный показатель преломления неизвестного образца на волнедлина используется для лазерного допроса. Типичные результаты приведены в таблице 1.

5. OTPAS

1. Поместите 2,5 мкл иммерсионного масла (индекс согласован с типом используемого стекла) на центр призмы.
2. Поместите пленку или подложку для тестирования пленки стороной вверх (от призмы) и убедитесь, что не образуются пузырьки в процессе размещения.
   Примечание: Если пузырьки образуют, удалить образец пленки или подложки и повторить попытку применения.
3. Поместите 25 мкл иммерсионного масла на латексную резину, так что масло покрывает погружения вся поверхность без образования пузырьков.
4. Сжать слои подложки / пленки , как показано на рисунке 3. Затяните крепежные винты с установленным крутящим моментом 16,75 г / мм , которые должны быть одинаковыми для каждого винта.
   Примечание: Динамометрический ключ в протоколе в oz.-in., поэтому 16,75 г / мм ~ 15 oz.-in.
5. Выберите вкладку "Угловой спектр" и выберите "Угловой спектр" на ниспадающего мужчини. Далее, введите соответствующие параметры в программе , как показано в таблице 3.
6. Запустите программу и подождите, пока угловой спектр не был завершен и программа закончилась.
7. Перезапустите тест, выполнив шаги 5.1-5.6 с использованием подложки или пленки ( в зависимости от того , не было сделано ранее) , как показано на рисунке 6.
8. Выберите "подгонка кривой" в раскрывающемся списке и выберите вкладку "подгонки кривой". Затем введите соответствующие параметры , как показано в таблице 5. Выберите сканирование пленки под «образец». Выберите сканирование подложки под "Подложка".
9. Входной коэффициент преломления, поляризации и другие параметры для сканирования ранее была выполнена с шагом 5.1-5.6 , как показано в таблице 4.
10. Запустите программу, выбрав "подгонка кривой" в раскрывающемся списке и выберите вкладку "подгонка кривой". Отметим, показатель преломления и толщину под4;. Пленка RI "и" Толщина пленки " , показанной в верхнем правом углу графического пользовательского интерфейса программы Типичные данные представлены на рисунке 7.
11. Используйте "Fit Пакетный" вариант, чтобы соответствовать многим сканирование сразу же путем ввода числа сканирований пакетной форме и выбора файла в формате CSV для вывода данных на и повторите шаг 5.10.
    Примечание: После того, как программа запущена она будет соответствовать каждый набор данных и вывода всех показателей преломления, толщина и остаточных значений в формате CSV. Для того , чтобы это работало, то сканирование должно быть в численном списке , таких как scan_001.csv, 002.csv сканирования и т.д.

Результаты

Результаты Было показано , что для TIRPAS, ПАС / TIRPAS рефрактометрии и OTPAS , которые являются subtechniques внутри EFPA платформы. На рисунке 4 показана репрезентативная TIRPAS акустической волны , генерированной из абсорбирующей образца. Биполярная природа акустической волны характерна техники TIRPAS и указывает на то, что TIRPAS происходит. Это биполярный ток возникает из-за акустического отражения на границе раздела между образцом и стеклянной подложке из-за большой разницы в акустическом импедансе. Для PAS / TIRPAS рефрактометрии рисунке 5 и в таблице 1 был получен. На рисунке 5 показан угловой спектр и числовой производной , полученной для образца проходит испытания для оценки объемной показатель преломления. В таблице 1 показаны результаты с помощью ПАС / TIRPAS рефрактометрии , чтобы оценить основная часть показателя преломления смеси воды / ПЭГ / Прямой красный краситель в качестве комкрасный с объемной оценки показателя преломления с использованием стандартного ручного рефрактометра. И, наконец, результаты OTPAS показаны на рисунке 7 и в таблице 2. На рисунке 7 показаны две фигуры угловых сканирования, которые принимаются во время OTPAS. В таблице 2 показано сравнение между OTPAS и спектроскопического эллипсометрии тех же самых тонких пленочных образцов.

Рисунок 1. Subtechnologies из EFPA. EFPA в настоящее время состоит из трех различных суб-технологий. Эти технологии TIRPAS, PAS / TIRPAS рефрактометрии и OTPAS. Каждый метод может оценивать материалы по извлечению или определять различные свойства. TIRPAS обнаруживает материалы на основе их оптического поглощения для целей биодат-, PAS / TIRPAS рефрактометрия оценивает объемный показатель преломления, и OTPAS оценивает тонкопленочный показатель преломления А.Н.d толщина. В TIRPAS, свет за пределы критического угла ф _C создает мимолетную поле , которое может генерировать акустическую волну при взаимодействии с оптическим поглотителем. В PAS / TIRPAS рефрактометрии, оба TIRPAS и PAS формы сигналов получаются из обоих затухающего поля фотоакустическом возбуждения и традиционного фотоакустическом возбуждения. Построив эти два режима на угловом графике спектра, переходный угол можно наблюдать, которые затем могут быть использованы для получения показателя преломления. И, наконец, в OTPAS, спектр акустических сигналов получены с лазерным излучением за пределами критического угла ф _C и для тонкой пленки на подложке и голой подложкой. Применяя нелинейную аппроксимирующей кривую алгоритма к данным, тонкая толщина пленки и показатель преломления может быть получена. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

. Рисунок 2. EFPA схематичное / фото слева: Чтобы настроить EFPA лазерный луч должен быть расширен , чтобы переполнить чувствительную область покрыта латексной резины. Луч сначала должен быть под углом 45 градусов по отношению к призме, как показано на рисунке. Справа:. Фотография установки показывает оптический поезд Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 3. загрузки образца. Образцы загружаются с призмой для изготовления оптических контакт через иммерсионного масла на подложку. В TIRPAS или PAS / TIRPAS рефрактометрии, прямой контакт с жидкостью достигается с пробой на подложке для тестирования. В OTPAS, оптической связью беспересадочныйУф дополнительное погружение масла между подложкой и красной латексной резины позволяет оптического туннелирования произойти. Оправа затем прижимают друг к другу , используя динамометрический ключ и крепежные винты. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 4. TIRPAS типичные данные. TIRPAS формы волны обычно имеют биполярный вид акустического сигнала , который является характерным для метода TIRPAS. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 5. PAS / TIRPAS типичные данные. </ Сильный> Слева: Угловые данные спектра, который получается путем облучения образца при различных углах падения. Справа: Численное производная левого рисунка, вскрывается локальные минимумы, указывающего переход от PAS к режимам TIRPAS, что в свою очередь соответствует положению критического угла. Печатается с разрешения. ¹⁸ Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 6. блок - схема программы. Программа выполняется в течение нескольких итерационных шагов. Призма крепление устанавливается на ноль градусов, а затем параметры выбираются перед запуском программы. Затем программа выполняется, чтобы приобрести угловой спектр как подложку и пленку. Наконец, кривая подходит к данным для оценки индекса и толщины пленки преломления, Печатается с разрешения. ⁶ Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

. Рисунок 7. OTPAS типичные данные Слева: На этом рисунке показаны угловые сканы спектре MgF ₂ пленки и подложки N-BK7 соответственно. Справа: Разделив пленки углового сканирования спектра MgF ₂ путем сканирования подложки N-BK7 и умножения на постоянный коэффициент бета, степень оптического туннелирования (%) в зависимости от угла падения может быть получено, что позволяет для оценки показателя преломления индекс и толщина тонкой пленки. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

PAS / TIRPAS	Пример 1	Пример 2	Пример 3	Пример 4	Пример 5	Atago R-5000
Прямой красный / PEG 125 мкг / мл	1,395	1,395	1,395	1,395	1,395	1.395-1.397
Прямой красный / PEG 250 мкг / мл	1,39	1,39	1,39	1,39	1,39	1.390-1.396
Прямой красный / PEG 500 мкг / мл	1,388	1,389	1,389	1,389	1,389	1.381-1.395
Прямой красный / PEG 750 мкг / мл	1,382	1,382	1,387	1,387	1,387	1.372-1.395
Миоглобин 460 мкг / мл	1,33	1,329	1.331	1,33	1.331	1,335

Таблица 1. Результаты PAS / TIRPAS. В приведенной ниже таблице приведены типичные результаты для прямого красного красителя с 50% PEG смешивают , чтобы повысить показатель преломления. Печатается с разрешения. ¹⁸

тип испытаний	Техника	пленочного типа	Показатель преломления	Толщина (нм)
Intrasample	OTPAS	MgF 2 200 нм	1,384 ± 0,004	203 ± 6
Intrasample	Значение круговойsometry	MgF 2 200 нм	1,393 ± 0,001	192,4 ± 1,1
межвыборочная	OTPAS	MgF 2 200 нм	1,395 ± 0,011	220 ± 19
межвыборочная	Эллипсометрия	MgF 2 200 нм	1,392 ± 0,002	195,2 ± 1,8

Таблица 2. OTPAS результаты. В приведенной ниже таблице приведены типичные результаты для 200 нм MGF ₂ тонких пленок в OTPAS против спектроскопического эллипсометрии. Intrasample относится к тестированию одного фильма в десять раз, в то время как межвыборочная относится к тестированию десять фильмов независимо друг от друга. Печатается с разрешения. ⁶

# Средних	1	Начальный угол	60	Разминка (мин)	0	Показатель преломления (призмы)	1,519
# сканы	1	Размер шага	0,1	Сохранить	"Yourfilename" .csv	Microstep #	10
Набор Q-переключатель	275	угол Стоп	80	Лазерная выберите	Surelite	Скорость (оборотов в минуту)	500
Допуск ошибки (%)	5	запуск лазера	на	Фильтр низких частот (прогОЗУ)	1,00 х 10 7	Ускорение (RPS)	200

Таблица 3. Угловые параметры спектра для PAS / TIRPAS рефрактометрии. В следующей таблице приведены параметры , необходимые для углового спектра в PAS / TIRPAS рефрактометрии.

# Средних	64	Начальный угол	70	Разминка (мин)	1	Показатель преломления (призмы)	1,519
# сканы	1	Размер шага	0,1	Сохранить	"Yourfilename &# 8221; .csv	Microstep #	10
Набор Q-переключатель	275	угол Стоп	72	Лазерная выберите	Surelite	Скорость (оборотов в минуту)	500
Допуск ошибки (%)	5	запуск лазера	на	Фильтр низких частот (программа)	1,00 х 10 7	Ускорение (RPS)	200

Таблица 4. Угловые параметры спектра для OTPAS. В следующей таблице приведены параметры , необходимые для углового спектра в OTPAS.

Нижний показатель преломления	1	Толерантность	1,00 × 10 -12	Coupler RI	1,519	данные основания	Выберите yourfilename.csv
Уменьшение толщины	0 нм	Преломлени догадка	1.3	длина волны	532 нм	Несколько файлов сохранить	Выберите yourfilename.csv
Верхняя толщина	1000 нм	Толщина догадка	200 нм	поляризация	P поляризованный	Сколько файлов	# Файлов, которые вы хотите, чтобы соответствовать
Max итерация	5000	подложкаРод-Айленд	1,519	данные пленки	Выберите yourfilename.csv	Тип посадки	Single подходят / партия подходит

Таблица 5. Кривая подгоночных параметров. В следующей таблице приведены параметры подгонки кривой , необходимые для оценки правильного параметра.

Дополнительный код файла:. OTPAS тонкопленочный analyzer_USB-5133.vi Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы загрузить этот файл.

Обсуждение

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.

Материалы

Name	Company	Catalog Number	Comments
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 degree.