Onderzoekers hebben een extreem heldere midden-infraroodlaser gebruikt om een ​​analytische techniek uit te voeren die bekend staat als spectroscopische ellipsometrie. De nieuwe aanpak legt spectrale informatie met een hoge resolutie vast in minder dan een seconde en zou nieuwe inzichten kunnen bieden in snel veranderende eigenschappen van een verscheidenheid aan monsters, van kunststoffen tot biologische materialen.

Spectroscopische ellipsometrie meet hoe de polarisatie van licht verandert na interactie met een monster. Wanneer uitgevoerd in het infrarode deel van het spectrum, deze benadering kan gedetailleerde informatie onthullen over de chemische samenstelling en moleculaire oriëntatie van een monster.

In het tijdschrift The Optical Society (OSA) Optica Letters , onderzoekers van het Research Center for Non Destructive Testing (RECENDT) GmbH en Johannes Kepler Universität, zowel in Oostenrijk, beschrijven hoe ze een mid-infrared quantum cascade laser (QCL) hebben geïntegreerd in een spectroscopische ellipsometrie-opstelling. Dit relatief nieuwe type laser is minimaal 10, 000 keer helderder dan de traditionele lichtbronnen die worden gebruikt voor spectroscopische ellipsometrie.

Ze toonden aan dat de QCL de signaalkwaliteit van de spectroscopische metingen aanzienlijk verbeterde en de spectrale acquisitietijd verkortte van enkele uren tot minder dan een seconde, met verdere verbeteringen mogelijk naarmate de nieuwe lasertechnologie vordert. Ze toonden ook aan dat de techniek kan worden gebruikt voor realtime monitoring van moleculaire heroriëntatie terwijl een plastic film wordt uitgerekt.

"Onze methode biedt toegang tot monstereigenschappen die voorheen niet in realtime konden worden waargenomen, " zei Markus Brandstetter, hoofd van het onderzoeksteam van RECENDT. "QCL-ellipsometrie zou kunnen helpen bij het verbeteren van productieprocessen en de kwaliteit van het resulterende product. Het zou ook eerder niet-waarneembare fysieke en biologische processen kunnen onthullen die tot nieuwe wetenschappelijke ontdekkingen zouden leiden."

Een zeer heldere lichtbron

De mid-infrarood QCL die door de onderzoekers wordt gebruikt, heeft een helderheidsniveau dat zelfs dat van synchrotronbronnen overtreft, die alleen beschikbaar zijn in gespecialiseerde faciliteiten. Dankzij de helderheid van de laser kan deze worden gebruikt voor mid-infrarood spectroscopische ellipsometrie van sterk absorberende materialen of stoffen, inclusief die opgelost in water. "Vanwege de hoge mid-infrarode absorptie van water, dit is tot nu toe erg moeilijk of zelfs ondenkbaar geweest, ’ zei Brandstetter.

De emissiegolflengten van de laser kunnen worden afgestemd over een breed midden-infraroodbereik dat perfect past bij in de handel verkrijgbare midden-infrarooddetectoren. Een ander voordeel is dat het kan worden gebruikt voor spectroscopische metingen zonder dure en complexe optische componenten zoals monochromators of interferometers.

"De laser die we hebben gebruikt, biedt ook de mogelijkheid van spotgroottes die alleen worden beperkt door de diffractielimiet van licht, " zei Jakob Kilgus, een lid van het onderzoeksteam van RECENDT. "Dit kan worden benut voor ellipsometrische metingen met hoge ruimtelijke resoluties, die van belang zal zijn voor zowel de wetenschap als de industrie."

Realtime metingen uitvoeren

Om hun nieuwe systeem te testen, de onderzoekers vergeleken het met een instrument dat als de gouden standaard van commerciële infrarood spectroscopische ellipsometers wordt beschouwd. Ze voerden ook realtime metingen uit van de herschikking van moleculaire ketens terwijl een polypropyleenfilm werd uitgerekt.

"De nieuwe opstelling presteerde orden van grootte beter dan de standaard acquisitietijd en signaal-ruisverhouding, " zei Kilgus. "Onze meting van de polypropyleenfilm werd alleen beperkt door de snelheid van het podium dat werd gebruikt om de kracht uit te oefenen. Met de setup konden veel snellere processen worden gemonitord."

De onderzoekers wijzen erop dat deze veelbelovend zijn, maar voorlopig, resultaten. Ze zijn van plan het instrument verder te ontwikkelen en willen de mogelijkheid van diffractiegelimiteerde laserspots ten volle benutten om hyperspectrale midden-infrarode ellipsometriebeelden te verwerven - die het volledige spectrum voor elke pixel van het beeld zouden bevatten - met redelijke acquisitietijden.

"We geloven dat er een sterke interesse zal zijn in deze nieuwe techniek en de mogelijkheid om deze te ontwikkelen voor commercieel gebruik, "zei Brandstetter. "De tijdresolutie van minder dan een seconde in combinatie met de hoge helderheid van de laser zal nuttig zijn voor tal van industriële en wetenschappelijke toepassingen."