Name: evanescent field based photoacoustics: optical property evaluation at surfaces
Uploaded: 2016-07-26T13:00:00
Duration: 10 min 21 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Evanescent Field Based Photoacoustics: Optical Property Evaluation at Surfaces at JoVE.com

وقد تم تمويل هذا المشروع من قبل جائزة بروج مؤسسة العلوم الوطنية (1221019).

1. إعداد النظام <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> استخدام cyanoacrylate الايبوكسي التمسك قطرها 9 مم، 1 مم اسطوانة أحمر المطاط على الوجه الأمامي للواحد 10 ميجا هرتز محول بالموجات فوق الصوتية واستخدام cyanoacrylate الايبوكسي التمسك قطرها 9 مم، 1 مم اسطوانة أحمر المطاط إلى 6 مم كتلة الاكريليك التي يتم بعد ذلك epoxied بنفس الطريقة إلى إشارة محول بالموجات فوق الصوتية ليكون بمثابة فاصل الصوتية. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> إنشاء قطار الضوئية التي تحتوي على المتوسع شعاع التعرض للضرب من قبل ليزر لأول مرة. ثم ضع الثانية فتحة قابل للتعديل يدويا. وأخيرا استخدام استقطاب مكعب شعاع التقسيم باعتبارها العنصر الثالث ووضع محول بالموجات فوق الصوتية لا في حامل موشور EFPA ومحول في حامل موشور EFPA في كل ناتج من عدم استقطاب الخائن شعاع. ملاحظة: يستخدم الاستقطاب شعاع الخائن مكعب لضمان محض، والاستقطاب واحد لإثارة مثل هذا أمر بالغ الأهمية لوظائف مناسبة لجميع التقنيات EFPA. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> توسيع outgoجي شعاع الليزر باستخدام العدسات لخلق المتوسع شعاع من 3X على الأقل من ND-تحولت ف: YAG الليزر. ملاحظة: شعاع المتضخم عمدا مقارنة مع امتصاص المطاط على محول عينة من أجل ضمان وظيفة استشعار المناسبة على الرغم من ضوء الليزر بالخروج بسبب الانكسار من خلال منظور في زوايا مختلفة من الإصابة. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> محاذاة القطار البصرية وEFPA حامل موشور مثل أن الجانب المسطح من جبل أقرب منظور سيتم تعيين إلى زاوية 0 درجة استخدام مستوى الرقمي. وهذا يضمن نقطة انطلاق الصحيحة للبيانات الطيف الزاوي التي سيتم جمعها خلال التجارب. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ربط والطاقة على الأجهزة الخارجية مثل الذبذبات، سائق السائر إلى الكمبيوتر، محولات الطاقة بالموجات فوق الصوتية، وXY المحركات المرحلة. جسديا توصيل محول ليس في منظور EFPA جبل لCh0 وجسديا توصيل محول في منظور EFPA جبل لCH1 عبر 50 الكابلات أوم BNC. ومبرمجة البرنامج إلى التعرف علىإشارات coustic من هذه القنوات محددة. </li></ol> 2. EFPA نظام التهيئة والمواءمة البصرية <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ضبط يدويا فتحة قابلة للتعديل لمنع شعاع لقطر 1 ملم. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> بدء برنامج البرمجة (على سبيل المثال، ابفيف)، تعيين زاوية 70 درجة عن طريق الضغط على الزر &quot;التحرك&quot; لتحريك جبل لزاوية اللازمة ل70 درجة الإثارة في واجهة موشور / عينة. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> باستخدام النظارات المناسبة سلامة الليزر (OD 7+ في 532 نانومتر)، والنظر في منظور من الجانب عمودي على شعاع الليزر ويدويا نقل مرحلة في X و Y محاور باستخدام عجلات اليد حتى بقعة الليزر 1 مم مرئيا fluorescently على المطاط. تأكد من أن شعاع يتركز على اللاتكس. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> توسيع الفتحة قابل للتعديل يدويا إلى أقصى افتتاحه وإلقاء نظرة على اللوحة الأمامية تشغيل البرنامج لضمان كل من طاقة الليزر إشارة القياس الضوئي من EFPA موشور جبل (ل أحمرالمعهد الوطني للإحصاء) وإشارة الضوئي من الجانب قياس طاقة الليزر (الخط الأبيض) مرئية وما يقرب من نفس السعة. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> توقف البرنامج عن طريق الضغط على زر &quot;STOP&quot;. ملاحظة: إذا لم يتم الضغط على زر منظور لابد وأن يكون يدويا إعادة تعيين قبل مواصلة الاختبار. مرة واحدة وقد تم الانتهاء من بروتوكول التهيئة، TIRPAS، PAS / TIRPAS الانكسار، أو OTPAS لا يمكن أن يؤديها. </li></ol> 3. TIRPAS تقنية <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> وضع منظور في منظور البلاستيك جبل محول كما هو موضح في الشكل (3). وبعد ذلك، وضع 2.5 ميكرولتر من مؤشر النفط الغمر مطابقة لنوع المنشور المستخدمة، على مركز منظور وساندويتش النفط عن طريق وضع الركيزة على رأس طبقة النفط. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ضع 25 ميكرولتر من العينة على المطاط متصلا محول في محول EFPA جبل كما هو مبين في الشكل (3) بحيث المعاطف كامل السطح دون تشكيل فقاعة. العينة يمكنيكون أي مواد تمتص بصريا مثل محلول الصبغة، السائل البيولوجي، أو تحليلها معلقة في الحل. ليس هناك حاجة إلى إعداد العينة. ضغط منظور جبل وتشديد جبل جنبا إلى جنب مع تصاعد مسامير لعزم الدوران مجموعة من 16.75 جم / مم لكل المسمار. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> حدد &quot;إعداد&quot; علامة التبويب واختر &quot;إعداد&quot; في القائمة المنسدلة. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تشغيل برنامج بعنوان OTPAS رقيقة analyzer_USB-5133.vi فيلم (ملف التكميلي). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> عرض إشارة الصوتية المتولدة عن عينة كما هو مبين في الشكل (4). ملاحظة: زاوية السقوط يمكن تغيير للسيطرة على عمق الاختراق البصري للمجال زائل لمراقبة المقاطع البصرية أرق أو أكثر سمكا من العينة. </li></ol> 4. PAS / TIRPAS الانكسار <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> وضع منظور في منظور البلاستيك جبل محول كما هو موضح في الشكل (3). وبعد ذلك، وضع 2.5 ميكرولتر من مؤشر النفط الغمر مطابقة لنوع المنشور المستخدمة، على عشرمركز البريد من منظور وساندويتش النفط عن طريق وضع الركيزة على الجزء العلوي من طبقة النفط. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ضع 25 ميكرولتر من العينة على قطعة المطاط متصلا محول في محول EFPA جبل كما هو مبين في الشكل (3). ضغط منظور جبل وتشديد جبل جنبا إلى جنب مع تصاعد مسامير لعزم الدوران مجموعة من 16.75 جم / مم لكل المسمار. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> حدد &quot;الطيف الزاوي&quot; علامة التبويب وحدد &quot;الطيف الزاوي&quot; على القائمة المنسدلة. المقبل، وإدخال المعلمات المناسبة في البرنامج كما هو مبين في الجدول رقم 1. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تشغيل البرنامج والانتظار حتى يتم الانتهاء من الطيف الزاوي وهذا البرنامج قد انتهى. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> انقر بالزر الأيمن على الرسم البياني الطيف الزاوي وحدد &quot;تصدير البيانات → نسخة إكسل&quot; لحفظ البيانات وفتح ملف .csv. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> فتح هذه البيانات في برنامج الرسوم البيانية (على سبيل المثال، KaleidaGraph)، وإجراء مشتقات العددية على النقر على &quot;وحدات الماكرو&quot; واختيار &amp; #34؛ المشتق &quot;. الإدخال الأعمدة المناسبة لاتخاذ مشتقات ثم اضغط على&quot; سيتم احتساب حسنا &quot;ومشتقات العددية. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> رسم بياني لمشتقات العددية مقابل زاوية وحدد &quot;المنحنى صالح&quot;. حدد الخيار &quot;السلس&quot; 5،18،98 وحدد خانة الاختيار البيانات تحت عنوان &quot;المنحنى اختيارات تناسب&quot; لتناسب لضمان سلاسة الضوضاء من البيانات. حدد السهم إلى الأسفل تحت عنوان &quot;عرض&quot; وحدد &quot;نسخ منحنى يصلح لنافذة البيانات&quot; لاستخراج بيانات تناسب منحنى إلى عمود آخر. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> البحث يدويا من خلال تناسب منحنى للعثور على الحد الأدنى المحلية وزاوية المقابلة لها من الإصابة والذي يشير إلى الانتقال من نظام تقييم الأداء للأنظمة TIRPAS. أن الحد الأدنى يتوافق مع الزاوية الحرجة قياس، كما هو مبين في الشكل (5). وباستخدام معادلة ن عينة = ن المنشور الخطيئة θ ج، وحساب معامل الانكسار الجزء الأكبر من العينة مجهولة في موجةطول تستخدم لاستجواب الليزر. وأظهرت النتائج النموذجية في الجدول 1. </li></ol> 5. OTPAS <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ضع 2.5 ميكرولتر من النفط الغمر (مؤشر تتناسب مع نوع من الزجاج المستخدمة) في وسط المنشور. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> وضع الفيلم أو الركيزة لفحصها الفيلم حتى الجانب (بعيدا عن منظور) وضمان أن يتم تشكيل أي فقاعات خلال التنسيب. ملاحظة: إذا شكل فقاعات، وإزالة عينة فيلم أو الركيزة وإعادة محاولة التطبيق. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ضع 25 ميكرولتر من النفط الغمر على المطاط بحيث المعاطف النفط غمر كامل السطح دون تشكيل فقاعة. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ضغط طبقات الركيزة / الفيلم كما هو مبين في الشكل (3). تضييق الخناق متزايدة لعزم دوران مجموعة من 16.75 جم / مم يجب أن تكون متطابقة لكل المسمار. ملاحظة: وجع عزم الدوران في البروتوكول هو في oz.-in.، لذا 16.75 جم / مم ~ 15 oz.-in. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> حدد &quot;الطيف الزاوي&quot; علامة التبويب وحدد &quot;الطيف الزاوي&quot; على القائمة المنسدلة الرجالش. المقبل، وإدخال المعلمات المناسبة في البرنامج كما هو مبين في الجدول 3. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تشغيل البرنامج والانتظار حتى يتم الانتهاء من الطيف الزاوي وهذا البرنامج قد انتهى. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> أعد الاختبار عن طريق تنفيذ الخطوات 5،1-5،6 باستخدام الركيزة أو فيلم (أيهما لم يحدث سابقا) كما هو موضح في الشكل (6). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> حدد &quot;المنحنى المناسب&quot; في القائمة المنسدلة وحدد &quot;المنحنى المناسب&quot; علامة التبويب. بعد ذلك، إدخال المعلمات المناسبة كما هو مبين في الجدول رقم 5. حدد مسح فيلم تحت عنوان &quot;نموذج&quot;. حدد مسح الركيزة تحت عنوان &quot;الركيزة&quot;. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> إدخال معامل الانكسار والاستقطاب، وغيرها من الخيارات لمسح تشغيل سابقا في خطوات 5،1-5،6 كما هو مبين في الجدول رقم (4). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تشغيل البرنامج عن طريق اختيار &quot;المنحنى المناسب&quot; في القائمة المنسدلة واختيار &quot;المنحنى المناسب&quot; علامة التبويب. مراقبة معامل الانكسار وسمك تحتويظهر الفيلم RI &quot;و&quot; سمك فيلم &quot;يظهر في الجزء العلوي الأيمن من واجهة المستخدم الرسومية للبرنامج البيانات النموذجية في الشكل 7؛ 4. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> استخدام الخيار &quot;دفعة مناسبا&quot; لتناسب العديد من مسح دفعة واحدة عن طريق إدخال رقم المسح الضوئي لدفعة صالح واختيار ملف .csv لإخراج البيانات إلى وكرر الخطوة 5.10. ملاحظة: بمجرد تشغيل البرنامج وسوف تناسب كل مجموعة من البيانات والمخرجات جميع معامل الانكسار، وسمك، والقيم المتبقية للبتنسيق csv. من أجل هذا العمل، يجب أن يكون المسح في قائمة العددية مثل scan_001.csv، 002.csv المسح الضوئي، الخ </li></ol>

الكتاب تعلن أنه ليس لديهم مصالح مالية المتنافسة.

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.

&#160;
<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="573">
	<tbody>
		<tr height="31">
			<td height="31" style="height:31px;width:216px;">100 mm plano convex lens</td>
			<td style="width:71px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:119px;">LA1509</td>
			<td style="width:167px;">Plano convex lens for beam expander</td>
		</tr>
		<tr height="31">
			<td height="31" style="height:31px;width:216px;">-30 mm plano concave lens</td>
			<td style="width:71px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:119px;">LC2679</td>
			<td style="width:167px;">Plano concave lens for beam expander</td>
		</tr>
		<tr height="61">
			<td height="61" style="height:61px;width:216px;">10 MHz Ultrasonic transducers</td>
			<td style="width:71px;">Harisonic</td>
			<td style="width:119px;">I31006T</td>
			<td style="width:167px;">Ultrasonic sensors used for photoacoustic detection, both for laser energy measurement and for OTPAS mount</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="41" rowspan="2" style="height:41px;width:216px;">Immersion oil Type A</td>
			<td rowspan="2" style="width:71px;">Cargille</td>
			<td rowspan="2" style="width:119px;">16482</td>
			<td rowspan="2" style="width:167px;">Index of 1.519 to match that of NBK-7 substrates</td>
		</tr>
		<tr height="21">
		</tr>
		<tr height="18">
			<td height="39" rowspan="2" style="height:40px;width:216px;">Natural latex rubber sheet (red)</td>
			<td rowspan="2" style="width:71px;">McMastercarr</td>
			<td rowspan="2" style="width:119px;">86085K11</td>
			<td rowspan="2" style="width:167px;">Index ~1.519 to match that of Type A immersion liquid to act as an optical absorber to measure optical tunneling and laser energy</td>
		</tr>
		<tr height="21">
		</tr>
		<tr height="33">
			<td height="33" style="height:33px;width:216px;">Laser goggles</td>
			<td style="width:71px;">VERE</td>
			<td style="width:119px;">53</td>
			<td style="width:167px;">Used to protect eyes from laser light</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="41" rowspan="2" style="height:41px;width:216px;">Cage mounted non polarizing beam splitter cube</td>
			<td rowspan="2" style="width:71px;">Thorlabs</td>
			<td rowspan="2" style="width:119px;">CM1-BS013</td>
			<td rowspan="2" style="width:167px;">Split laser light so that one half can be measured and one half can be used for excitation</td>
		</tr>
		<tr height="21">
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="41" rowspan="2" style="height:41px;width:216px;">Cage mounted polarizing beam splitter cube</td>
			<td rowspan="2" style="width:71px;">Thorlabs</td>
			<td rowspan="2" style="width:119px;">CM1-PBS251</td>
			<td rowspan="2" style="width:167px;">Ensure light is polarized before being used for optical tunneling experiments</td>
		</tr>
		<tr height="21">
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="41" rowspan="2" style="height:41px;width:216px;">Graduated ring activated iris diaphragm</td>
			<td rowspan="2" style="width:71px;">Thorlabs</td>
			<td rowspan="2" style="width:119px;">SM1D12C</td>
			<td rowspan="2" style="width:167px;">Cut beam down to a smaller size for alignment</td>
		</tr>
		<tr height="21">
		</tr>
		<tr height="31">
			<td height="31" style="height:31px;width:216px;">Data acquisition card</td>
			<td style="width:71px;">National Instruments</td>
			<td style="width:119px;">USB-5133</td>
			<td style="width:167px;">USB oscilloscope to acquire data</td>
		</tr>
		<tr height="46">
			<td height="46" style="height:46px;width:216px;">Stepper motor driver</td>
			<td style="width:71px;">National Instruments</td>
			<td style="width:119px;">MID-7604</td>
			<td style="width:167px;">Stepper motor driver to drive stepper motors for angular spectra</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="41" rowspan="2" style="height:41px;width:216px;">Sherline XY stage (14&#8221;)</td>
			<td rowspan="2" style="width:71px;">Sherline</td>
			<td rowspan="2" style="width:119px;">5600-CNC/5610-CNC</td>
			<td rowspan="2" style="width:167px;">Sherline XY stage</td>
		</tr>
		<tr height="21">
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="41" rowspan="2" style="height:41px;width:216px;">4-jaw self centering chuck</td>
			<td rowspan="2" style="width:71px;">Sherline</td>
			<td rowspan="2" style="width:119px;">1076/1034</td>
			<td rowspan="2" style="width:167px;">Sherline rotational attachment</td>
		</tr>
		<tr height="21">
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="41" rowspan="2" style="height:41px;width:216px;">Right angle attachment</td>
			<td rowspan="2" style="width:71px;">Sherline</td>
			<td rowspan="2" style="width:119px;">3701</td>
			<td rowspan="2" style="width:167px;">Right angle attachment to attach rotational mount</td>
		</tr>
		<tr height="21">
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="41" rowspan="2" style="height:41px;width:216px;">CNC rotary table</td>
			<td rowspan="2" style="width:71px;">Sherline</td>
			<td rowspan="2" style="width:119px;">8730</td>
			<td rowspan="2" style="width:167px;">Rotary table for holding OTPAS prism/sample</td>
		</tr>
		<tr height="21">
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="41" rowspan="2" style="height:41px;width:216px;">Surelite I-20 laser system</td>
			<td rowspan="2" style="width:71px;">Continuum</td>
			<td rowspan="2" style="width:119px;">I-20</td>
			<td rowspan="2" style="width:167px;">Q-switched Nd:YAG laser for exciting samples</td>
		</tr>
		<tr height="21">
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="41" rowspan="2" style="height:41px;width:216px;">NBK-7 prism</td>
			<td rowspan="2" style="width:71px;">Thorlabs</td>
			<td rowspan="2" style="width:119px;">PS911</td>
			<td rowspan="2" style="width:167px;">Right angle prism for EFPA</td>
		</tr>
		<tr height="21">
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="41" rowspan="2" style="height:41px;width:216px;">Adjustable torque wrench</td>
			<td rowspan="2" style="width:71px;">Tohnichi</td>
			<td rowspan="2" style="width:119px;">RTD40Z</td>
			<td rowspan="2" style="width:167px;">Adjustable torque wrench to equally tighten down the EFPA mount for each technique to 16.75 g/mm</td>
		</tr>
		<tr height="21">
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="41" rowspan="2" style="height:41px;width:216px;">Digital level</td>
			<td rowspan="2" style="width:71px;">Micromark</td>
			<td rowspan="2" style="width:119px;">84519</td>
			<td rowspan="2" style="width:167px;">Digital level to ensure EFPA prism holder starts at 0 degrees.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
		</tr>
	</tbody>
</table>

evanescent field based photoacoustics: optical property evaluation at surfaces

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.

وقد تبين نتائج TIRPAS، الانكسار PAS / TIRPAS، وOTPAS التي هي subtechniques ضمن منصة EFPA ويبين الشكل 4 لTIRPAS ممثل الموجة الصوتية المتولدة من عينة استيعاب. طبيعة القطبين الموجة الصوتية هي من سمات تقنية TIRPAS وتشير إلى أن TIRPAS يحدث. يحدث هذا الموجي القطبين بسبب انعكاس الصوتية في واجهة بين العينة والركيزة الزجاج بسبب وجود اختلاف كبير في مقاومة الصوتية. لPAS الانكسار / TIRPAS الشكل 5 والجدول 1 تم الحصول عليها. ويبين الشكل 5 الطيف الزاوي ومشتقات العددية التي تم الحصول عليها لعينة تحت الاختبار لتقدير معامل الانكسار بالجملة. ويبين الجدول 1 نتائج استخدام الانكسار PAS / TIRPAS تقدير معامل الانكسار الجزء الأكبر من المياه / PEG / المباشر خليط الصبغة الحمراء ما يحتماللون الأحمر على تقدير معامل الانكسار بالجملة باستخدام الإنكسار المحمولة القياسية. وأخيرا، وتظهر نتائج OTPAS في الشكل 7 والجدول 2. ويبين الشكل 7 شخصيتين عمليات التفحص الزاوي التي تؤخذ خلال OTPAS. ويبين الجدول 2 مقارنة بين OTPAS والطيفية قياس إهليلجي من نفس العينات رقيقة. <img alt="شكل 1" src="/files/ftp_upload/54192/54192fig1.jpg" /> ويتكون الشكل 1. Subtechnologies من EFPA. EFPA حاليا من ثلاث تقنيات الفرعية متميزة. هذه التقنيات هي TIRPAS، الانكسار PAS / TIRPAS، وOTPAS. كل تقنية يمكن تقييم المواد لاستخلاص أو تحديد خصائص مختلفة. TIRPAS بالكشف عن المواد التي تقوم على امتصاص البصرية لأغراض biosensing، PAS / TIRPAS الانكسار يقيم مؤشر الانكسار بالجملة، وOTPAS يقيم رقيقة مؤشر الانكسار ل<html> د سمك. في TIRPAS، وعلى ضوء ما وراء الحرجة زاوية θ ج يخلق مجال زائل التي يمكن أن تولد موجة صوتية على التفاعل مع امتصاص البصرية. في PAS / TIRPAS الانكسار، ويتم الحصول على كل من TIRPAS والطول الموجي PAS من كل من الحقل زائل الإثارة الضوئي والإثارة الضوئي التقليدية. بالتآمر هذين النظامين على الرسم البياني الطيف الزاوي، زاوية الانتقالية يمكن ملاحظة، والتي يمكن أن تستخدم بعد ذلك لاشتقاق معامل الانكسار. وأخيرا، في OTPAS، ويتم الحصول على مجموعة من الإشارات الصوتية مع أشعة الليزر وراء الحرجة زاوية θ ج لكل طبقة رقيقة على ركيزة والركيزة العارية. عن طريق تطبيق غير الخطية الخوارزمية المناسب منحنى للبيانات، وسماكة رقيقة ومعامل الانكسار يمكن أن تستمد. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54192/54192fig1large.jpg" target="_blank">الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a> : المحافظة على together.within الصفحات = &quot;1&quot;&gt; <img alt="الشكل 2" src="/files/ftp_upload/54192/54192fig2.jpg" /> . الشكل 2. EFPA التخطيطي / الصورة اليسار: لإعداد EFPA يجب توسيع شعاع الليزر ليفيض منطقة الاستشعار من المطاط المغطى. ينبغي أن تكون شعاع في البداية في زاوية 45 درجة إلى منظور كما هو مبين. اليمين: صور من الإعداد تظهر القطار البصرية <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54192/54192fig2large.jpg" target="_blank">الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a> <img alt="الشكل (3)" src="/files/ftp_upload/54192/54192fig3.jpg" /> يتم تحميل الشكل 3. عينة تحميل العينات مع منظور إجراء اتصالات البصرية عبر النفط الغمر إلى الركيزة. في TIRPAS أو الانكسار PAS / TIRPAS، ويتحقق الاتصال السائل مباشرة مع عينة على الركيزة للاختبار. في OTPAS، واقتران البصرية ترولاف النفط الغمر إضافية بين الركيزة والمطاط الأحمر يسمح للأنفاق الضوئية لتحدث. جبل وثم فرضت معا باستخدام وجع عزم الدوران وتصاعد مسامير. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54192/54192fig3large.jpg" target="_blank">الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a> <img alt="الشكل (4)" src="/files/ftp_upload/54192/54192fig4.jpg" /> الشكل 4. TIRPAS البيانات النموذجية. الطول الموجي TIRPAS وعادة ما يكون ثنائي القطب الصوتية ظهور إشارة الذي هو سمة من طريقة TIRPAS. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54192/54192fig4large.jpg" target="_blank">الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a> <img alt="الرقم 5" src="/files/ftp_upload/54192/54192fig5.jpg" /> الرقم 5. PAS / TIRPAS البيانات النموذجية. &lt;/ قوي&gt; اليسار: بيانات الطيف الزاوي التي يتم الحصول عليها عن طريق تشعيع عينة في زوايا مختلفة من الإصابة. الحق: مشتق العددية للشخصية تركت أن يكشف عن الدنيا المحلية تشير إلى الانتقال من نظام تقييم الأداء للأنظمة TIRPAS، والتي تتطابق بدورها مع موقف الزاوية الحرجة. أعيد طبعها بإذن 18 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54192/54192fig5large.jpg" target="_blank">الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a> <img alt="الشكل (6)" src="/files/ftp_upload/54192/54192fig6.jpg" /> الرقم الرسم البياني 6. برنامج. يتم تشغيل البرنامج في خطوات قليلة ومتكررة. تم تعيين منظور جبل لدرجة الصفر ومن ثم يتم اختيار المعلمات قبل تشغيل البرنامج. ثم يتم تشغيل البرنامج في الحصول على الطيف الزاوي كل ركيزة وفيلم. وأخيرا، منحنى يصلح للبيانات لتقدير مؤشر فيلم الانكسار وسمك. أعيد طبعها بإذن 6 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54192/54192fig6large.jpg" target="_blank">الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a> <img alt="الرقم 7" src="/files/ftp_upload/54192/54192fig7.jpg" /> . الرقم 7. OTPAS البيانات النموذجية اليسار: هذا الرقم يدل على مسح الطيف الزاوي من فيلم إم جي إف 2 والركيزة N-BK7 على التوالي. الحق: من خلال تقسيم الفيلم مسح الطيف الزاوي إم جي إف 2 بالتصوير بالرنين المغناطيسي الركيزة N-BK7 وضرب من قبل عامل بيتا ثابتة، ودرجة من نفق البصرية (٪) مقابل زاوية السقوط يمكن الحصول عليها، والذي يسمح لتقدير الانكسار مؤشر وسماكة رقيقة. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54192/54192fig7large.jpg" target="_blank">الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a> <table fo:keep-together.within-page="1" style=";text-align:right;direction:rtl"><tbody><tr><td> PAS / TIRPAS </td><td> عينة 1 </td><td> نموذج 2 </td><td> عينة 3 </td><td> عينة 4 </td><td> عينة 5 </td><td> ATAGO R-5000 </td></tr><tr><td> مباشر أحمر / PEG 125 ميكروغرام / مل </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> مباشر أحمر / PEG 250 ميكروغرام / مل </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> مباشر أحمر / PEG 500 ميكروغرام / مل </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> مباشر أحمر / PEG 750 ميكروغرام / مل </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 </tد&gt; </tr><tr><td> الميوجلوبين 460 ميكروغرام / مل </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> الجدول 1. PAS / نتائج TIRPAS. ويبين الجدول التالي النتائج نموذجية لصبغ أحمر المباشر مع 50٪ PEG مختلطة في رفع معامل الانكسار. أعيد طبعها بإذن 18 <table fo:keep-together.within-page="1" style=";text-align:right;direction:rtl"><tbody><tr><td> نوع الاختبار </td><td> تقنية </td><td> نوع الفيلم </td><td> معامل الانكسار </td><td> سمك (س.خ) </td></tr><tr><td> Intrasample </td><td> OTPAS </td><td> إم جي إف 2 200 نانومتر </td><td> 1.384 ± 0.004 </td><td> 203 ± 6 </td></tr><tr><td> Intrasample </td><td> Ellipsometry </td><td> إم جي إف 2 200 نانومتر </td><td> 1.393 ± 0.001 </td><td> 192.4 ± 1.1 </td></tr><tr><td> Intersample </td><td> OTPAS </td><td> إم جي إف 2 200 نانومتر </td><td> 1.395 ± 0.011 </td><td> 220 ± 19 </td></tr><tr><td> Intersample </td><td> قياس إهليلجي </td><td> إم جي إف 2 200 نانومتر </td><td> 1.392 ± 0.002 </td><td> 195.2 ± 1.8 </td></tr></tbody></table> 2. OTPAS النتائج. ويبين الجدول الجدول التالي النتائج نموذجية ل 200 نانومتر إم جي إف 2 الأغشية الرقيقة في OTPAS مقابل قياس إهليلجي الطيفية. يشير Intrasample لاختبار فيلم واحد عشر مرات، في حين intersample يشير إلى اختبار عشرة أفلام مستقل. أعيد طبعها بإذن 6. <table fo:keep-together.within-page="1" style=";text-align:right;direction:rtl"><tbody><tr><td> # المتوسطات </sترونج&gt; </td><td fo:width="0.6in" style="width:40px"> 1 </td><td> بدء زاوية </td><td fo:width="0.6in" style="width:35px"> 60 </td><td> الإحماء (دقيقة) </td><td style="width:90px"> 0 </td><td style="width:90px"> معامل الانكسار (بريزم) </td><td> 1،519 </td></tr><tr><td> # بالاشعة </td><td> 1 </td><td> حجم الخطوة </td><td> 0.1 </td><td> حفظ في </td><td> &quot;yourfilename&quot; بتنسيق csv </td><td> المصغرة # </td><td> 10 </td></tr><tr><td> مجموعة Q-التبديل </td><td> 275 </td><td> توقف زاوية </td><td> 80 </td><td> الليزر حدد </td><td> Surelite </td><td> السرعة (دورة في الدقيقة) </td><td> 500 </td></tr><tr><td> التسامح الخطأ (٪) </td><td> 5 </td><td> بدء تشغيل الليزر </td><td> على </td><td> مرشح ترددات منخفضة (بروغالرامات &quot; الذاكرة العشوائية في الهواتف والحواسيب) </td><td> 1.00 × 10 7 </td><td> التسارع (RPS) </td><td> 200 </td></tr></tbody></table> ويبين الجدول رقم 3. الإعدادات الطيف الزاوي للالانكسار PAS / TIRPAS الجدول التالي الإعدادات اللازمة لطيف الزاوي في الانكسار PAS / TIRPAS. <table fo:keep-together.within-page="1" style=";text-align:right;direction:rtl"><tbody><tr><td> # المتوسطات </td><td fo:width="0.6in" style="width:40px"> 64 </td><td> بدء زاوية </td><td fo:width="0.6in" style="width:35px"> 70 </td><td> الإحماء (دقيقة) </td><td style="width:90px"> 1 </td><td style="width:90px"> معامل الانكسار (بريزم) </td><td> 1،519 </td></tr><tr><td> # بالاشعة </td><td> 1 </td><td> حجم الخطوة </td><td> 0.1 </td><td> حفظ في </td><td> &quot;yourfilename &amp;# 8221؛ بتنسيق csv </td><td> المصغرة # </td><td> 10 </td></tr><tr><td> مجموعة Q-التبديل </td><td> 275 </td><td> توقف زاوية </td><td> 72 </td><td> الليزر حدد </td><td> Surelite </td><td> السرعة (دورة في الدقيقة) </td><td> 500 </td></tr><tr><td> التسامح الخطأ (٪) </td><td> 5 </td><td> بدء تشغيل الليزر </td><td> على </td><td> مرشح المرور المنخفض (برنامج) </td><td> 1.00 × 10 7 </td><td> التسارع (RPS) </td><td> 200 </td></tr></tbody></table> ويبين الجدول 4. إعدادات الطيف الزاوي لOTPAS الجدول التالي الإعدادات اللازمة لطيف الزاوي في OTPAS. <table fo:keep-together.within-page="1" style=";text-align:right;direction:rtl"><tbody><tr><td style="width:65px"> معامل الانكسار أقل </td><td> 1 &lt;/ td&gt; <td style="width:72px"> تسامح </td><td> 1.00 × 10 -12 </td><td style="width:80px"> مقرنة RI </td><td style="width:83px"> 1،519 </td><td style="width:65px"> البيانات الركيزة </td><td style="width:83px"> اختر yourfilename.csv </td></tr><tr><td> سمك أقل </td><td> 0 نانومتر </td><td> معامل الانكسار تخمين </td><td> 1.3 </td><td> الطول الموجي </td><td> 532 نانومتر </td><td> ملفات متعددة انقاذ ل </td><td> اختر yourfilename.csv </td></tr><tr><td> سمك العلوي </td><td> 1000 نانومتر </td><td> تخمين سمك </td><td> 200 نانومتر </td><td> الاستقطاب </td><td> ف الاستقطاب </td><td> عدد الملفات </td><td> # من الملفات التي تريد لتناسب </td></tr><tr><td> ماكس التكرار </td><td> 5000 </td><td> الركيزةRI </td><td> 1،519 </td><td> فيلم البيانات </td><td> اختر yourfilename.csv </td><td> نوع من التوافق </td><td> صالح واحد / الدفعة صالح </td></tr></tbody></table> الجدول 5. منحنى المعلمات المناسب. ويبين الجدول التالي المعلمات منحنى المناسب اللازمة لتقدير المعلمة الصحيح. كود التكميلي الملف: رقيقة OTPAS فيلم analyzer_USB-5133.vi <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54192/OTPAS_Thin_Film_Analyzer_USB-5133.vi" target="_blank">الرجاء انقر هنا لتحميل هذا الملف.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Evanescent Field Based Photoacoustics: Optical Property Evaluation at Surfaces at JoVE.com

Evanescent Field Based Photoacoustics: Optical Property Evaluation at Surfaces

هنا نقدم بروتوكول لتقدير المواد وسطح الخصائص البصرية باستخدام تأثير الضوئي جنبا إلى جنب مع الانعكاس الكلي الداخلي. هذه التقنية زائل photoacoustics ميدانية يمكن استخدامها لإنشاء نظام القياس الضوئي لتقدير مؤشرات سمك والبضائع السائبة ورقيقة الانكسار فيلم المواد، واستكشاف خصائصها البصرية.

زائل الميدان Photoacoustics استنادا: تقييم العقارات للبصريات على السطوح

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

Research

JoVE Journal

Engineering

Fabricating Metamaterials Using the Fiber Drawing Method

افتعال يتعلق بما وارء باستخدام أسلوب الرسم الألياف

Metamaterials are man-made composite materials, fabricated by assembling components much smaller than the wavelength at which they operate 1. They owe ...

Probing and Mapping Electrode Surfaces in Solid Oxide Fuel Cells

التحقيق ورسم الخرائط أسطح الكهربائي في خلايا الوقود الصلبة أكسيد

Solid oxide fuel cells (SOFCs) are potentially the most efficient and cost-effective solution to utilization of a wide variety of fuels beyond hydrogen ...

Development of Whispering Gallery Mode Polymeric Micro-optical Electric Field Sensors

تطوير يهمس معرض البوليمرية وضع مايكرو البصرية مجسات المجال الكهربائي

Optical modes of dielectric micro-cavities have received significant attention in recent years for their potential in a broad range of applications. The ...

Fabrication of Nano-engineered Transparent Conducting Oxides by Pulsed Laser Deposition

تلفيق نانو هندسيا إجراء أكاسيد شفافة من ترسب الليزر النبضي

Nanosecond Pulsed  Laser Deposition (PLD) in the presence of a background gas allows the deposition  of metal oxides with tunable morphology, structure, ...

High-speed Particle Image Velocimetry Near Surfaces

عالي السرعة الجسيمات Velocimetry صورة قرب السطوح

Multi-dimensional and transient flows play a key role in many areas of science, engineering, and health sciences but are often not well understood. The ...

Experimental Measurement of Settling Velocity of Spherical Particles in Unconfined and Confined Surfactant-based Shear Thinning Viscoelastic Fluids

القياس التجريبي لسرعة تسوية الجسيمات الكروية في السوائل اللزوجة غير المحصورة والمقيدة بالتخلص من السطحي

An experimental study is performed to measure the terminal settling velocities of spherical particles in surfactant based shear thinning viscoelastic ...

Selective Area Modification of Silicon Surface Wettability by Pulsed UV Laser Irradiation in Liquid Environment

انتقائية المساحة تعديل السيليكون بلل السطح بواسطة الليزر النبضي للأشعة فوق البنفسجية تشعيع في البيئة السائلة

The wettability of silicon (Si) is one of the important parameters in the technology of surface functionalization of this material and fabrication of ...

Simulation of Human-induced Vibrations Based on the Characterized In-field Pedestrian Behavior

محاكاة من الاهتزازات التي يسببها الإنسان استنادا إلى وتتميز في حقل السلوك للمشي

For slender and lightweight structures, vibration serviceability is a matter of growing concern, often constituting the critical design requirement. With ...

Effect of Bending on the Electrical Characteristics of Flexible Organic Single Crystal-based Field-effect Transistors

تأثير الانحناء على الخصائص الكهربائية من الترانزستورات مجال التأثير على أساس الكريستال مرنة عضوي واحدة

The charge transport in an organic semiconductor depends highly on the molecular packing in the crystal, which influences the electronic coupling ...

Scanning Light Scattering Profiler (SLPS) Based Methodology to Quantitatively Evaluate Forward and Backward Light Scattering from Intraocular Lenses

Scanning Light Scattering Profiler SLPS Based Methodology to Quantitatively Evaluate Forward and Backward Light Scattering from Intraocular Lenses

المسح الضوئي لانتثار الضوء المنشئ (سلبس) المنهجية لتقييم كميا إلى الأمام والخلف نثر الضوء من العدسات داخل العين

The scanning light scattering profiler (SLSP) methodology has been developed for the full-angle quantitative evaluation of forward and backward light ...