Фототермическая спектроскопия

Фототермическая спектроскопия — это группа методов высокочувствительной спектроскопии, используемых для измерения оптического поглощения и тепловых характеристик образца. В основе фототермической спектроскопии лежит изменение теплового состояния образца в результате поглощения излучения. Свет, поглощаемый и не теряемый излучением, приводит к нагреву. Тепло повышает температуру, тем самым влияя на термодинамические свойства образца или подходящего материала, прилегающего к нему. Измерение изменений температуры, давления или плотности, возникающих из-за оптического поглощения, в конечном итоге является основой фототермических спектроскопических измерений.

Как и фотоакустическая спектроскопия , фототермическая спектроскопия является косвенным методом измерения оптического поглощения , поскольку она не основана на прямом измерении света, участвующего в поглощении. Однако в другом смысле фототермические (и фотоакустические) методы непосредственно измеряют поглощение, а не, например, вычисляют его по пропусканию, как в случае с более обычными (пропускающими) спектроскопическими методами. И именно этот факт придает этому методу высокую чувствительность, поскольку в методах пропускания оптическая плотность рассчитывается как разница между общим светом, падающим на образец, и прошедшим (плюс отраженным и рассеянным ) светом, с обычными проблемами точности, когда речь идет о небольших различиях между большими числами, если поглощение мало. Вместо этого в фототермической спектроскопии сигнал по существу пропорционален поглощению и равен нулю, когда истинное поглощение равно нулю, даже при наличии отражения или рассеяния.

В фототермической спектроскопии используется несколько методов и приемов. Каждый из них имеет имя, указывающее на конкретный измеряемый физический эффект.

Фототермическая линзовая спектроскопия (PTS или TLS) измеряет тепловое цветение, которое возникает, когда луч света нагревает прозрачный образец. Обычно он применяется для измерения небольших количеств веществ в однородных газовых и жидких растворах.
Спектроскопия фототермического отклонения (PDS), также называемая эффектом миража , измеряет искривление света из-за оптического поглощения. Этот метод особенно полезен для измерения поверхностного поглощения и определения тепловых свойств слоистых материалов.
Фототермическая дифракция, тип четырехволнового смешения , отслеживает эффект переходных дифракционных решеток, «вписанных» в образец с помощью когерентных лазеров. Это форма голографии реального времени .
Фототермическая эмиссия измеряет увеличение инфракрасного излучения образца , происходящее в результате поглощения. Эмиссия образца подчиняется Стефана закону теплового излучения . Этот метод используется для измерения термических свойств твердых и слоистых материалов.
Фототермическая микроскопия одиночных частиц . Этот метод позволяет обнаруживать одиночные поглощающие наночастицы за счет создания сферически-симметричной тепловой линзы для визуализации и корреляционной спектроскопии.

Фототермическая спектроскопия отклонения

Спектроскопия фототермического отклонения — это разновидность спектроскопии , которая измеряет изменение показателя преломления в результате нагрева среды светом. Это работает через своего рода « миража ». эффект ^[1] где существует градиент показателя преломления вблизи поверхности испытуемого образца. Зондирующий лазерный луч преломляется или изгибается пропорционально градиенту температуры прозрачной среды вблизи поверхности. По этому отклонению можно определить меру поглощенного возбуждающего излучения. Этот метод полезен при исследовании оптически тонких образцов, поскольку можно получить чувствительные измерения того, происходит ли поглощение. Это имеет значение в ситуациях, когда невозможно использовать «сквозную» или трансмиссионную спектроскопию. ^{[ нужна ссылка ]}

Существует две основные формы ПДС: коллинеарная и поперечная. Коллинеарный PDS был представлен в статье 1980 года А.С. Боккара, Д. Фурнье и др. ^[2] Коллинеарно: два луча проходят и пересекаются в среде. Луч накачки нагревает материал, а зондирующий луч отклоняется. Этот метод работает только для прозрачных носителей. В поперечном направлении тепло луча накачки поступает перпендикулярно поверхности, а зондирующий луч проходит параллельно. В другом варианте зондирующий луч может отражаться от поверхности и измерять коробление из-за нагрева. инертный, неабсорбирующий материал, такой как перфторуглерод . Поперечная PDS может быть выполнена в азоте, но лучшие характеристики достигаются в жидкой ячейке: обычно используется ^{[ нужна ссылка ]}

Как в коллинеарном, так и в поперечном PDS поверхность нагревается с использованием периодически модулированного источника света, такого как оптический луч, проходящий через механический прерыватель или регулируемый с помощью функционального генератора. Затем используется синхронный усилитель для измерения отклонений, обнаруженных на частоте модуляции. Другая схема использует в качестве источника возбуждения импульсный лазер. В этом случае для измерения временного отклонения зондирующего луча от возбуждающего излучения можно использовать среднее значение товарного вагона. Сигнал падает экспоненциально в зависимости от частоты, поэтому часто используются частоты около 1–10 Гц. Полный теоретический анализ системы PDS был опубликован Джексоном, Амером и др. в 1981 году. ^[3] В том же документе также обсуждается использование PDS как формы микроскопии, называемой «фототермической микроскопией отклонения», которая может дать информацию о примесях и топологии поверхности материалов. ^[3]

PDS-анализ тонких пленок также может быть выполнен с использованием узорчатой подложки, которая поддерживает оптические резонансы, такие как режимы управляемого резонанса и режимы шепчущей галереи. Зондирующий луч связан в резонансном режиме, и эффективность связи очень чувствительна к углу падения. Из-за эффекта фотонагрева эффективность связи изменяется и характеризуется, что указывает на поглощение тонкой пленки. ^[4]

См. также

Ссылки

^ Однако в истинном мираже луч света постепенно изгибается, пока не полностью отражается от очень горячего воздуха вблизи почвы. Здесь вместо отражения нет, а луч плавно изгибается градиентом показателя преломления, который действует как призма .
^ Боккара, AC; Фурнье, Д.; Джексон, Уоррен; Амер, Набиль. (1980). «Чувствительный метод фототермического отклонения для измерения поглощения в оптически тонких средах» . Оптические письма . 5 (9): 377–379. Бибкод : 1980OptL....5..377B . дои : 10.1364/OL.5.000377 . ПМИД 19693234 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Джексон, Всемирный банк; Амер, Нью-Мексико; Боккара, AC; Фурнье, Д. (15 апреля 1981 г.). «Спектроскопия и детектирование фототермического отклонения» . Прикладная оптика . 20 (8): 1333–1344. Бибкод : 1981ApOpt..20.1333J . дои : 10.1364/AO.20.001333 . ПМИД 20309309 .
^ Чжао Ю, Лю Л, Чжао Х, Лу М (2016). «Улучшенная фототермическая линза с использованием поверхности фотонного кристалла». Письма по прикладной физике . 109 (7): 071108. Бибкод : 2016ApPhL.109g1108Z . дои : 10.1063/1.4961376 .

Дж. А. Селл, фототермические исследования твердых тел и жидкостей , Academic Press, Нью-Йорк, 1989 г.
Д.П. Алмонд и П.М. Патель, Фототермическая наука и техника, Чепмен и Холл, Лондон , 1996 г.
С. Е. Бялковски. Методы фототермической спектроскопии для химического анализа. Джон Вили, Нью-Йорк, 1996 г.

Внешние ссылки

[1] Однако в истинном мираже луч света постепенно изгибается, пока не полностью отражается от очень горячего воздуха вблизи почвы. Здесь вместо отражения нет, а луч плавно изгибается градиентом показателя преломления, который действует как призма .

[opticsletters-2] Боккара, AC; Фурнье, Д.; Джексон, Уоррен; Амер, Набиль. (1980). «Чувствительный метод фототермического отклонения для измерения поглощения в оптически тонких средах» . Оптические письма . 5 (9): 377–379. Бибкод : 1980OptL....5..377B . дои : 10.1364/OL.5.000377 . ПМИД 19693234 .

[applied_optics-3] Перейти обратно: ^а ^б Джексон, Всемирный банк; Амер, Нью-Мексико; Боккара, AC; Фурнье, Д. (15 апреля 1981 г.). «Спектроскопия и детектирование фототермического отклонения» . Прикладная оптика . 20 (8): 1333–1344. Бибкод : 1981ApOpt..20.1333J . дои : 10.1364/AO.20.001333 . ПМИД 20309309 .

[4] Чжао Ю, Лю Л, Чжао Х, Лу М (2016). «Улучшенная фототермическая линза с использованием поверхности фотонного кристалла». Письма по прикладной физике . 109 (7): 071108. Бибкод : 2016ApPhL.109g1108Z . дои : 10.1063/1.4961376 .

[1]

[2]

[3]

[4]