Høj lysstyrke midt-infrarød laser udvider spektroskopisk analytisk tekniks horisont

Forskere har brugt en ekstremt lys midt-infrarød laser til at udføre en analytisk teknik kendt som spektroskopisk ellipsometri. Den nye tilgang fanger højopløselig spektral information på mindre end et sekund og kan tilbyde ny indsigt i hurtigt skiftende egenskaber for en række prøver fra plast til biologiske materialer.

Spektroskopisk ellipsometri måler, hvordan polariseringen af ​​lys ændres efter interaktion med en prøve. Når det udføres i den infrarøde del af spektret, denne fremgangsmåde kan afsløre detaljerede oplysninger om en prøves kemiske sammensætning og molekylære orientering.

I tidsskriftet The Optical Society (OSA) Optik bogstaver , forskere fra Research Center for Non Destructive Testing (RECENDT) GmbH og Johannes Kepler Universität, både i Østrig, beskrive, hvordan de inkorporerede en mid-infrarød kvantekaskadelaser (QCL) i en spektroskopisk ellipsometriopsætning. Denne relativt nye lasertype er mindst 10, 000 gange lysere end de traditionelle lyskilder, der bruges til spektroskopisk ellipsometri.

De viste, at QCL i høj grad forbedrede signalkvaliteten af ​​de spektroskopiske målinger og forkortede spektraloptagelsestiden fra flere timer til mindre end et sekund, med yderligere forbedringer muligt, efterhånden som den nye laserteknologi skrider frem. De demonstrerede også, at teknikken kan bruges til overvågning i realtid af molekylær omorientering, når en plastfilm strækkes.

"Vores metode giver adgang til prøveejendomme, der ikke kunne observeres i realtid før, sagde Markus Brandstetter, leder af forskerteamet fra RECENDT. "QCL -ellipsometri kan hjælpe med at forbedre fremstillingsprocesser og kvaliteten af ​​det resulterende produkt. Det kan også afsløre fysiske og biologiske processer, der tidligere ikke kunne observeres, og som ville føre til nye videnskabelige opdagelser."

En meget lys lyskilde

Den melleminfrarøde QCL, der bruges af forskerne, har et lysstyrkeniveau, der overstiger endog synkrotronkildernes, som kun fås i specialiserede faciliteter. Laserens lysstyrke betyder, at den kan bruges til melleminfrarød spektroskopisk ellipsometri af stærkt absorberende materialer eller stoffer, herunder dem, der er opløst i vand. "På grund af den høje mellem-infrarøde absorbans af vand, dette har været meget svært eller endda utænkeligt indtil nu, sagde Brandstetter.

Laserens emissionsbølgelængder kan indstilles over et bredt mellem-infrarødt område, der matcher perfekt med kommercielt tilgængelige mid-infrarøde detektorer. En anden fordel er, at den kan bruges til spektroskopiske målinger uden dyre og komplekse optiske komponenter, såsom monokromatorer eller interferometre.

"Den laser, vi brugte, giver også mulighed for spotstørrelser, der kun er begrænset af diffraktionsgrænsen for lys, sagde Jakob Kilgus, medlem af forskergruppen fra RECENDT. "Dette kan udnyttes til ellipsometriske målinger med høje rumlige opløsninger, som vil være af interesse for både videnskab og industri. "

Lav målinger i realtid

For at teste deres nye system, forskerne sammenlignede det med et instrument, der betragtes som guldstandarden for kommercielle infrarøde spektroskopiske ellipsometre. De udførte også realtidsmålinger af omjustering af molekylære kæder, da en polypropylenfilm blev strakt.

"Den nye opsætning udkonkurrerede standardoptagelsestiden og signal-til-støj-forholdet efter størrelsesordener, "sagde Kilgus." Vores måling af polypropylenfilmen var kun begrænset af hastigheden på det trin, der blev brugt til at anvende kraften. Meget hurtigere processer kunne overvåges med opsætningen. "

Forskerne påpeger, at disse er meget lovende, men foreløbig, resultater. De planlægger at udvikle instrumentet yderligere og ønsker fuldt ud at udnytte muligheden for diffraktionsbegrænsede laserpletter til at erhverve hyperspektrale melleminfrarøde ellipsometribilleder-som ville indeholde hele spektret for hver pixel af billedet-med rimelige optagelsestider.

"Vi tror, ​​at der vil være en stærk interesse for denne nye teknik og muligheden for at udvikle den til kommerciel brug, "sagde Brandstetter." Sub-anden gangs opløsning kombineret med laserens høje lysstyrke vil være nyttig til mange industrielle og videnskabelige anvendelser. "