Ultradźwięki pikosekundowe

Ultradźwięki pikosekundowe to rodzaj ultradźwięków , który wykorzystuje ultradźwięki o ultrawysokiej częstotliwości generowane przez ultrakrótkie impulsy świetlne. Jest to nieniszcząca technika, w której pikosekundowe impulsy akustyczne wnikają w cienkie warstwy lub nanostruktury , ujawniając cechy wewnętrzne, takie jak grubość warstwy, a także pęknięcia , rozwarstwienia i puste przestrzenie. Można go również używać do sondowania cieczy . Technika ta jest również nazywana ultradźwiękami lasera pikosekundowego akustyka pikosekundowa lasera .

Wstęp

Generowanie i wykrywanie pikosekundowych impulsów odkształcenia w nieprzezroczystej cienkiej warstwie za pomocą ultrakrótkich impulsów optycznych. W tym przykładzie impuls sondy optycznej dociera do powierzchni folii w tym samym czasie, co powracający impuls odkształcenia. Ogólnie rzecz biorąc, pomiary przeprowadza się poprzez zmianę czasu nadejścia impulsu sondy optycznej. Pomija się rozszerzalność cieplną powierzchni. Na przykład w przypadku folii aluminiowej impuls odkształcenia będzie miał typową częstotliwość i szerokość pasma zarówno ~ 100 GHz, czas trwania ~ 10 ps, ​​długość fali ~ 100 nm i amplitudę odkształcenia ~ ^10-4 przy zastosowaniu impulsów optycznych o czasie trwania ~100 fs i energii ~1 nJ skupionych w plamce ~50 µm na powierzchni próbki.

Kiedy ultrakrótki impuls świetlny , zwany impulsem pompy , skupia się na cienkiej, nieprzezroczystej warstwie na podłożu, absorpcja optyczna powoduje rozszerzalność cieplną , która uruchamia impuls odkształcenia sprężystego . Ten odkształcenia składa się głównie z podłużnych fononów akustycznych , które rozchodzą się bezpośrednio do folii jako spójny impuls.

Po odbiciu akustycznym od granicy folii z podłożem impuls odkształcenia powraca na powierzchnię folii, gdzie można go wykryć za pomocą opóźnionego impulsu sondy optycznej na podstawie współczynnika odbicia optycznego lub (w przypadku wystarczająco cienkich folii) zmian przepuszczalności. Ta czasowo rozwiązana metoda generowania i fotoelastycznego wykrywania spójnych pikosekundowych impulsów fononów akustycznych została zaproponowana przez Christiana Thomsena i współpracowników we współpracy pomiędzy Brown University i Bell Laboratories w 1984 roku.

Początkowy rozwój miał miejsce w grupie Humphreya Marisa na Uniwersytecie Browna i gdzie indziej pod koniec lat osiemdziesiątych. Na początku lat 90. zakres metody został rozszerzony w firmie Nippon Steel Corp. o bezpośrednie wykrywanie pikosekundowych wibracji powierzchni folii, spowodowanych powracającymi impulsami odkształcenia, co w wielu przypadkach skutkowało lepszą czułością wykrywania. Postępy, jakie nastąpiły po roku 2000, obejmują generowanie pikosekundowych solitonów akustycznych przy użyciu milimetrowych odległości propagacji oraz generowanie pikosekundowych ścinających przy użyciu anizotropowych materiałów lub małych (~1 μm) rozmiarów plamek optycznych. Odnotowano częstotliwości akustyczne do zakresu teraherców w ciałach stałych i do ~ 10 GHz w cieczach.

Oprócz rozszerzalności cieplnej możliwe jest wytwarzanie poprzez potencjał odkształcenia lub piezoelektryczność . Ultradźwięki pikosekundowe są obecnie stosowane jako technika metrologii cienkowarstwowej do badania warstw o ​​grubości submikrometrowej z głębokością nanometrową, która jest szeroko stosowana w przemyśle przetwarzania półprzewodników . Ultradźwięki pikosekundowe zastosowano również do pomiaru prędkości akustycznej wewnątrz nanomateriałów lub do badania fizyki fononów.

Generacja i detekcja

Pokolenie

Absorpcja padającego impulsu pompy optycznej powoduje lokalne naprężenie termiczne w pobliżu powierzchni próbki. Naprężenie to wyzwala impuls odkształcenia sprężystego, który rozprzestrzenia się w próbce. Dokładna głębokość wytwarzania naprężeń zależy w szczególności od użytego materiału i długości fali pompy optycznej. w metalach i półprzewodnikach ultrakrótka dyfuzja termiczna i nośnika ma tendencję do zwiększania głębokości, która jest początkowo podgrzewana w ciągu pierwszych ~1 ps.

Impulsy akustyczne są generowane o czasie trwania w przybliżeniu równym czasowi przejścia dźwięku przez tę początkowo ogrzaną głębokość, na ogół większym niż głębokość absorpcji optycznej . Na przykład głębokości absorpcji optycznej w Al i GaA wynoszą ~ 10 nm dla światła niebieskiego, ale głębokości dyfuzji elektronów wynoszą odpowiednio ~ 50 i 100 nm. Głębokość dyfuzji określa zasięg przestrzenny impulsu odkształcenia w kierunku grubości.

Głównym mechanizmem generowania w przypadku metali jest rozszerzalność cieplna, podczas gdy w przypadku półprzewodników jest to często mechanizm potencjalnego odkształcenia. W materiałach piezoelektrycznych może dominować odwrotny efekt piezoelektryczny, wynikający z wytwarzania wewnętrznych pól elektrycznych indukowanych przez separację ładunków .

Gdy średnica plamki optycznej D , np. D ~10 µm, na powierzchni sprężyście izotropowej i płaskiej próbki jest znacznie większa od początkowo nagrzanej głębokości, można przybliżyć pole akustyczne propagujące do ciała stałego za pomocą problemu jednowymiarowego, pod warunkiem, że nie pracuje się ze zbyt dużymi głębokościami propagacji odkształceń (~ D ²/Λ = długość Rayleigha , gdzie Λ jest długością fali akustycznej). W tej konfiguracji — pierwotnie zaproponowanej dla ultradźwięków pikosekundowych — należy uwzględnić jedynie podłużne impulsy akustyczne. Impuls odkształcenia tworzy przypominający naleśnik obszar odkształcenia podłużnego, który rozprzestrzenia się bezpośrednio w ciało stałe, z dala od powierzchni.

W przypadku małych rozmiarów plamek zbliżających się do granicy dyfrakcji optycznej , na przykład D ~ 1 µm, może być konieczne uwzględnienie trójwymiarowej natury problemu. W tym przypadku konwersja modów akustycznych na powierzchniach i powierzchniach międzyfazowych oraz dyfrakcja akustyczna odgrywają ważną rolę, powodując udział zarówno polaryzacji ścinającej, jak i podłużnej. Impuls odkształcenia rozdziela się na różne składniki polaryzacji i rozprzestrzenia się poprzecznie (dla odległości > D ²/Λ), gdy propaguje się w dół do próbki, co skutkuje bardziej skomplikowanym, trójwymiarowym rozkładem odkształceń.

Zastosowanie zarówno impulsów ścinających, jak i podłużnych jest korzystne przy pomiarze stałych sprężystości lub prędkości dźwięku . Fale poprzeczne można również generować poprzez zastosowanie elastycznie anizotropowych brył ciętych pod kątem ukośnym do kryształów . Umożliwia to generowanie fal ścinających lub quasi-ścinających o dużej amplitudzie w kierunku grubości.

Możliwe jest również generowanie impulsów odkształceń, których kształt nie zmienia się podczas propagacji. Te tak zwane solitony akustyczne wykazano w niskich temperaturach na odległościach propagacji wynoszących kilka milimetrów. Wynikają one z delikatnej równowagi pomiędzy dyspersją akustyczną a efektami nieliniowymi .

Wykrycie

Impulsy naprężenia powracające na powierzchnię z zakopanych interfejsów lub innych podpowierzchniowych obszarów niejednorodnych akustycznie są wykrywane jako seria ech. Na przykład impulsy odkształcenia rozchodzące się tam i z powrotem przez cienką warstwę wytwarzają zanikającą serię ech, z których można wyprowadzić w szczególności grubość warstwy, tłumienie ultradźwiękowe lub dyspersję ultradźwiękową.

Oryginalny mechanizm detekcji stosowany w ultradźwiękach pikosekundowych opiera się na efekcie fotoelastycznym. Współczynnik załamania światła i współczynnik ekstynkcji w pobliżu powierzchni ciała stałego są zakłócane przez powracające impulsy odkształcenia (w obrębie głębokości absorpcji optycznej światła sondy), co powoduje zmiany we współczynniku odbicia lub transmisji optycznej. Zmierzony kształt echa czasowego wynika z całki przestrzennej obejmującej zarówno profil absorpcji optycznej światła sondy, jak i profil przestrzenny impulsu odkształcenia (patrz poniżej).

Detekcja obejmująca przemieszczenie powierzchni jest również możliwa, jeśli rejestruje się zmianę fazy optycznej. W tym przypadku kształt echa mierzony poprzez zmienność fazy optycznej jest proporcjonalny do całki przestrzennej rozkładu odkształceń (patrz poniżej). Wykrywanie przemieszczeń powierzchni wykazano za pomocą ultraszybkiego odchylenia wiązki optycznej i interferometrii .

W przypadku jednorodnej próbki izotropowej w próżni z normalnym padaniem optycznym modulację współczynnika odbicia amplitudy optycznej ( r ) można wyrazić jako

${\ Displaystyle {\ Frac {\ delta r} {r}} = {\ Frac {4ik {\ tylda {n}}} {\tylda {n}}}{d\eta }}\int _{0}^{\infty}\eta (z,t)e^{2i{\tilde {n}}kz}dz+2iku(t )}$

gdzie ${\ displaystyle {\ tylda {n}} = n + i \ kappa}$ ( n współczynnik załamania światła i κ współczynnik ekstynkcji) jest złożonym współczynnikiem załamania światła sondy w próbce, k jest liczbą falową światła sondy w próżni, η ( z , t ) jest czasoprzestrzenną zmianą odkształcenia podłużnego, ${\ displaystyle d {\ tylda {n}} / d \ eta}$ jest stałą fotosprężystości, z jest głębokością w próbce, t jest czasem, a u jest przemieszczeniem powierzchni próbki (w kierunku + z ):

${\ Displaystyle u (t) = - \ int _ {0} ^ {\ infty} \ eta (z, t) dz}$

Aby uzyskać zmianę współczynnika odbicia optycznego dla intensywności R , stosuje się ${\ Displaystyle \ delta R/R = 2 {\ rm {{Re} ({\ it {{\ delta r / r})}}}}}$ , podczas gdy aby uzyskać zmianę fazy optycznej, stosuje się ${\ Displaystyle \ delta {\ it {{\ phi} = {\ rm {{Im}({\it {{\delta r/r})}}}}}}}$ .

Teoria detekcji optycznej w próbkach wielowarstwowych, obejmująca zarówno ruch granicy faz, jak i efekt fotosprężysty, jest obecnie dobrze rozwinięta. Wykazano, że kontrola stanu polaryzacji i kąta padania światła sondy jest przydatna do wykrywania ścinających fal akustycznych.

Zastosowania i przyszłe wyzwania

Ultradźwięki pikosekundowe zostały z powodzeniem zastosowane do analizy różnych materiałów, zarówno stałych, jak i ciekłych. Coraz częściej stosuje się ją do nanostruktur, w tym folii submikrometrowych, wielowarstw, studni kwantowych , heterostruktur półprzewodnikowych i nanownęk. Stosuje się ją również do badania właściwości mechanicznych pojedynczej komórki biologicznej.

Zobacz też

• Akustyka
• Ultradźwięk
• Fonony
• Soliton
• Fale
• Światło
• Spektroskopia czasowo-rozdzielcza
• Stres
• Napięcie
• Fotoelastyczność
• Anizotropia