Photothermiespektroskopie

Photothermiespektroskopie ist eine Gruppe von hoher Empfindlichkeit Spektroskopie Techniken zur Messung der optischen Absorption und thermischen Eigenschaften einer Probe. Die Grundlage der photothermen Spektroskopie ist die Änderung des thermischen Zustands der Probe, die sich aus der Absorption von Strahlung ergeben. Licht absorbiert und durch Emission nicht verloren geht, führt zu Erhitzen. Die Wärme erhöht die Temperatur und beeinflusst dadurch die thermodynamischen Eigenschaften der Probe oder eines geeigneten Materials nebeneinander. Die Messung der Temperatur-, Druck- oder Dichteänderungen, die aufgrund der optischen Absorption auftreten, sind letztendlich die Grundlage für die photothermen spektroskopischen Messungen.

Wie mit Photoakustische SpektroskopieDie phototherme Spektroskopie ist ein indirektes Methode zur Messung optische Absorption, weil es nicht auf dem direkten Maß des Lichts basiert, das an der Absorption beteiligt ist. In einem anderen Sinne messen phototherme (und photoakustische) Methoden jedoch direkt die Absorption und nicht z.B. Berechnen Sie es aus der Übertragung, wie es bei üblichen (Transmissions-) spektroskopischen Techniken der Fall ist. Und es ist diese Tatsache, die der Technik ihre hohe Empfindlichkeit verleiht, da in Übertragungstechniken das Absorption wird als Differenz zwischen dem Gesamtlicht berechnet, das auf der Probe und der übertragen (Plus reflektiert, Plus verstreut) Licht mit den üblichen Genauigkeitsproblemen, wenn man sich mit kleinen Unterschieden zwischen großen Zahlen befasst, wenn die Absorption gering ist. In photothermen Spektroskopien ist das Signal stattdessen im Wesentlichen proportional zur Absorption und null, wenn Null vorhanden ist Stimmt Absorption, selbst in Gegenwart von Reflexion oder Streuung.

Es gibt verschiedene Methoden und Techniken, die in der photothermen Spektroskopie verwendet werden. Jedes von diesen hat einen Namen, der den spezifischen physikalischen Effekt angibt, der gemessen wurde.

  • Photothermische Linsenspektroskopie (PTS oder TLS) misst die thermische Blüte, die auftritt, wenn ein Lichtstrahl eine transparente Probe erwärmt. Es wird typischerweise zur Messung von winzigen Substanzen in homogenen Gas- und Flüssiglösungen angewendet.
  • Photothermie Die Auslenkungsspektroskopie (PDS), auch als die genannt Fata Morgana Wirkung misst die Biegung von Licht aufgrund der optischen Absorption. Diese Technik ist besonders nützlich zur Messung der Oberflächenabsorption und zur Profilierung thermischer Eigenschaften in geschichteten Materialien.
  • Photothermische Beugung, eine Art von Art von Vier Wellenmischenüberwacht die Wirkung von Transient Beugungsgitter "geschrieben" in das Beispiel mit kohärenten Lasern. Es ist eine Form von Echtzeit Holographie.
  • Photothermische Emission misst einen Anstieg der Probe Infrarot Glanz Auftreten als Folge der Absorption. Die Probenemission folgt Stefans Gesetz der thermischen Emission. Diese Methoden werden verwendet, um die thermischen Eigenschaften von Festkörpern und geschichteten Materialien zu messen.
  • Phototherme Einzelpartikelmikroskopie. Diese Technik ermöglicht den Nachweis einzelner absorbierender Nanopartikel durch die Erzeugung einer sphärisch symmetrischen thermischen Linse zur Bildgebung und Korrelationsspektroskopie.


Phototherme Auslenkungsspektroskopie

Phototherme Auslenkungsspektroskopie ist eine Art von Spektroskopie Dies misst die Änderung des Brechungsindex aufgrund des Erhitzens eines Mediums durch Licht. Es funktioniert über eine Art von "Fata Morgana Wirkung"[1] wobei ein Brechungsindex -Gradient neben der Testprobenoberfläche existiert. Ein Sondenlaserstrahl wird in einer Weise, die proportional zum Temperaturgradienten des transparenten Mediums in der Nähe der Oberfläche ist, gebrochen oder gebeugt. Aus dieser Ablenkung kann ein Maß für die absorbierte Anregungsstrahlung bestimmt werden. Die Technik ist nützlich, wenn optisch dünne Proben untersucht werden, da empfindliche Messungen erhalten werden können, ob eine Absorption auftritt. Es ist von Wert in Situationen, in denen "Durchgang" oder Transmissionsspektroskopie nicht verwendet werden kann.

Es gibt zwei Hauptformen von PDS: kollinear und transversal. Collinear PDS wurde in einem 1980er Artikel von A. C. Boccara, D. Fournier, et al.[2] In kollinearem Strahlen passieren und schneiden sich in einem Medium durch und kreuzen sich. Der Pumpstrahl erwärmt das Material und der Sondenstrahl wird abgelenkt. Diese Technik funktioniert nur für transparente Medien. In Querverwaltung kommen die Pumpenstrahlheizungen normal zur Oberfläche, und der Sondenstrahl verläuft parallel. In einer Variation dazu kann der Sondenstrahl von der Oberfläche reflektiert und das Knicken aufgrund des Erhitzens messen. Quer-PDs können in Stickstoff erfolgen, aber eine bessere Leistung wird in einer flüssigen Zelle erzielt: normalerweise ein ineres, nicht absorbierendes Material wie a perfluorocarbon wird genutzt.

Sowohl in kollinearen als auch in transversalen PDs wird die Oberfläche unter Verwendung einer regelmäßig modulierten Lichtquelle erhitzt, z. Anschließend wird ein Sperrverstärker verwendet, um die bei der Modulationsfrequenz gefundenen Auslenkungen zu messen. Ein weiteres Schema verwendet einen gepulsten Laser als Anregungsquelle. In diesem Fall kann ein Boxcar -Durchschnitt verwendet werden, um die zeitliche Auslenkung des Sondenstrahls an die Anregungsstrahlung zu messen. Das Signal fällt in Abhängigkeit von der Frequenz exponentiell aus, sodass häufig Frequenzen um 1-10 Hertz verwendet werden. Eine vollständige theoretische Analyse des PDS -Systems wurde von Jackson, Amer, et al. 1981.[3] Das gleiche Papier diskutierte auch die Verwendung von PDS als eine Form der Mikroskopie, die als "photothermische Ablenkmikroskopie" bezeichnet wird und die Informationen über Verunreinigungen und die Oberflächentopologie von Materialien liefern kann.[3]

Die PDS-Analyse von Dünnfilmen kann auch unter Verwendung eines gemusterten Substrats durchgeführt werden, das optische Resonanzen wie Lenkwarenresonanz- und Flüstergalerie-Modi unterstützt. Der Sondenstrahl ist in einen Resonanzmodus gekoppelt und die Kopplungseffizienz ist hochempfindlich gegenüber dem Inzidenzwinkel. Aufgrund des Photoheizungseffekts wird die Kupplungseffizienz geändert und charakterisiert, dass die Absorption von Dünnfilmen angezeigt wird. [4]


Siehe auch

Verweise

  1. ^ In dem Stimmt Mirage ist jedoch ein Lichtstrahl allmählich gebeugt, bis er ist total reflektiert durch die sehr heiße Luft in der Nähe des Bodens. Hier gibt es stattdessen keine Reflexion, und der Strahl wird durch den Brechungsindex -Gradienten reibungslos gebeugt, der wie a wirkt Prisma.
  2. ^ Boccara, A.C.; Fournier, D.; Jackson, Warren; Amer, Nabil. (1980). "Empfindliche phototherme Ablenkungstechnik zur Messung der Absorption in optisch dünnem Medium". Optikbriefe. 5 (9): 377–379. Bibcode:1980optl .... 5..377b. doi:10.1364/ol.5.000377. PMID 19693234.
  3. ^ a b Jackson, W.B.; Amer, N.M.; Boccara, A.C.; Fournier, D. (1981-04-15). "Photothermische Ablenkungsspektroskopie und Nachweis". Angewandte Optik. 20 (8): 1333–1344. Bibcode:1981APOPT..20.1333J. doi:10.1364/ao.20.001333. PMID 20309309.
  4. ^ Zhao Y, Liu L, Zhao X, Lu M (2016). "Verstärktes photothermisches Objektiv unter Verwendung einer photonischen Kristalloberfläche". Angewandte Physikbuchstaben. 109 (7): 071108. Bibcode:2016APPHL.109G1108Z. doi:10.1063/1.4961376.

Externe Links