Forskare har använt en extremt ljus mellan-infraröd laser för att utföra en analytisk teknik som kallas spektroskopisk ellipsometri. Det nya tillvägagångssättet fångar upp högupplöst spektralinformation på mindre än en sekund och kan erbjuda nya insikter om snabbt förändrade egenskaper hos en mängd olika prover från plast till biologiska material.

Spektroskopisk ellipsometri mäter hur polariseringen av ljus förändras efter att ha interagerat med ett prov. När den utförs i den infraröda delen av spektrumet, detta tillvägagångssätt kan avslöja detaljerad information om ett provs kemiska sammansättning och molekylära orientering.

I tidskriften The Optical Society (OSA). Optikbokstäver , forskare från Research Center for Non Destructive Testing (RECENDT) GmbH och Johannes Kepler Universität, både i Österrike, beskriva hur de inkorporerade en mellaninfraröd kvantkaskadlaser (QCL) i en spektroskopisk ellipsometriuppställning. Denna relativt nya lasertyp är minst 10, 000 gånger ljusare än de traditionella ljuskällorna som används för spektroskopisk ellipsometri.

De visade att QCL avsevärt förbättrade signalkvaliteten för de spektroskopiska mätningarna och förkortade den spektrala insamlingstiden från flera timmar till mindre än en sekund, med ytterligare förbättringar möjliga när den nya lasertekniken fortskrider. De visade också att tekniken kan användas för realtidsövervakning av molekylär omorientering när en plastfilm sträcks.

"Vår metod ger tillgång till provegenskaper som inte kunde observeras i realtid tidigare, sa Markus Brandstetter, chef för forskargruppen från RECENDT. "QCL-ellipsometri kan hjälpa till att förbättra tillverkningsprocesser och kvaliteten på den resulterande produkten. Det kan också avslöja tidigare oobserverbara fysiska och biologiska processer som skulle leda till nya vetenskapliga upptäckter."

En mycket ljus ljuskälla

Den mellaninfraröda QCL som används av forskarna har en ljusstyrka som till och med överstiger den för synkrotronkällor, som endast är tillgängliga i specialiserade anläggningar. Lasarens ljusstyrka innebär att den kan användas för mitten av infrarött spektroskopisk ellipsometri av starkt absorberande material eller ämnen, inklusive de som är lösta i vatten. "På grund av den höga mitten av infraröda absorbansen av vatten, detta har varit mycket svårt eller till och med otänkbart hittills, sa Brandstetter.

Laserns emissionsvåglängder kan ställas in över ett brett mellaninfrarött område som passar perfekt med kommersiellt tillgängliga mellaninfraröda detektorer. En annan fördel är att den kan användas för spektroskopiska mätningar utan dyra och komplexa optiska komponenter som monokromatorer eller interferometrar.

"Lasern vi använde erbjuder också möjligheten till fläckstorlekar som endast begränsas av ljusets diffraktionsgräns, sa Jakob Kilgus, en medlem av forskargruppen från RECENDT. "Detta kan utnyttjas för ellipsometriska mätningar med höga rumsliga upplösningar, som kommer att vara av intresse för både vetenskap och industri. "

Göra mätningar i realtid

För att testa deras nya system, forskarna jämförde det med ett instrument som betraktades som guldstandarden för kommersiella infraröda spektroskopiska ellipsometrar. De utförde också realtidsmätningar av omjusteringen av molekylära kedjor när en polypropenfilm sträcktes.

"Den nya installationen överträffade standardinsamlingstiden och signal-brusförhållandet i storleksordningar, " sa Kilgus. "Vår mätning av polypropenfilmen begränsades endast av hastigheten på scenen som användes för att applicera kraften. Mycket snabbare processer kunde övervakas med installationen. "

Forskarna påpekar att dessa är mycket lovande, men preliminärt, resultat. De planerar att utveckla instrumentet ytterligare och vill till fullo utnyttja möjligheten med diffraktionsbegränsade laserfläckar för att få hyperspektrala mellaninfraröda ellipsometribilder – som skulle innehålla hela spektrumet för varje pixel i bilden – med rimliga insamlingstider.

"Vi tror att det kommer att finnas ett starkt intresse för denna nya teknik och möjligheten att utveckla den för kommersiellt bruk, "sade Brandstetter." Upplösningen under andra gången i kombination med laserns höga ljusstyrka kommer att vara användbar för många industriella och vetenskapliga tillämpningar. "