I ricercatori hanno utilizzato un laser nel medio infrarosso estremamente luminoso per eseguire una tecnica analitica nota come ellissometria spettroscopica. Il nuovo approccio acquisisce informazioni spettrali ad alta risoluzione in meno di un secondo e potrebbe offrire nuove informazioni sulle proprietà che cambiano rapidamente di una varietà di campioni, dalla plastica ai materiali biologici.

L'ellissometria spettroscopica misura come cambia la polarizzazione della luce dopo l'interazione con un campione. Quando eseguito nella porzione infrarossa dello spettro, questo approccio può rivelare informazioni dettagliate sulla composizione chimica di un campione e sull'orientamento molecolare.

Nella rivista The Optical Society (OSA) Lettere di ottica , ricercatori del Centro di ricerca per i test non distruttivi (RECENDT) GmbH e Johannes Kepler Universität, sia in Austria, descrivono come hanno incorporato un laser a cascata quantica (QCL) nel medio infrarosso in una configurazione ellissometrica spettroscopica. Questo tipo relativamente nuovo di laser è almeno 10, 000 volte più luminoso delle tradizionali sorgenti luminose utilizzate per l'ellissometria spettroscopica.

Hanno dimostrato che il QCL ha notevolmente migliorato la qualità del segnale delle misurazioni spettroscopiche e ha ridotto il tempo di acquisizione spettrale da diverse ore a meno di un secondo, con ulteriori miglioramenti possibili man mano che la nuova tecnologia laser progredisce. Hanno anche dimostrato che la tecnica può essere utilizzata per il monitoraggio in tempo reale del riorientamento molecolare quando viene stirata una pellicola di plastica.

"Il nostro metodo fornisce l'accesso a proprietà campione che prima non potevano essere osservate in tempo reale, " ha detto Markus Brandstetter, capo del gruppo di ricerca di RECENDT. "L'ellissometria QCL potrebbe aiutare a migliorare i processi di produzione e la qualità del prodotto risultante. Potrebbe anche rivelare processi fisici e biologici precedentemente non osservabili che porterebbero a nuove scoperte scientifiche".

Una fonte di luce molto brillante

Il QCL nel medio infrarosso utilizzato dai ricercatori presenta un livello di luminosità che supera anche quello delle sorgenti di sincrotrone, che sono disponibili solo in strutture specializzate. La luminosità del laser significa che può essere utilizzato per l'ellissometria spettroscopica nel medio infrarosso di materiali o sostanze altamente assorbenti, compresi quelli disciolti in acqua. "A causa dell'elevata capacità di assorbimento dell'acqua nel medio infrarosso, questo è stato molto difficile o addirittura inconcepibile fino ad ora, " disse Brandstetter.

Le lunghezze d'onda di emissione del laser possono essere sintonizzate su un'ampia gamma del medio infrarosso che si abbina perfettamente ai rilevatori del medio infrarosso disponibili in commercio. Un altro vantaggio è che può essere utilizzato per misurazioni spettroscopiche senza componenti ottici costosi e complessi come monocromatori o interferometri.

"Il laser che abbiamo utilizzato offre anche la possibilità di dimensioni dello spot limitate solo dal limite di diffrazione della luce, " disse Jakob Kilgus, un membro del gruppo di ricerca di RECENDT. "Questo può essere sfruttato per misurazioni ellissometriche con elevate risoluzioni spaziali, che sarà di interesse sia per la scienza che per l'industria."

Effettuare misurazioni in tempo reale

Per testare il loro nuovo sistema, i ricercatori lo hanno confrontato con uno strumento considerato il gold standard degli ellissometri spettroscopici a infrarossi commerciali. Hanno anche eseguito misurazioni in tempo reale del riallineamento delle catene molecolari mentre veniva stirato un film di polipropilene.

"La nuova configurazione ha superato il tempo di acquisizione standard e il rapporto segnale-rumore per ordini di grandezza, " ha detto Kilgus. "La nostra misurazione del film di polipropilene è stata limitata solo dalla velocità della fase utilizzata per applicare la forza. Processi molto più veloci potrebbero essere monitorati con la configurazione."

I ricercatori sottolineano che questi sono molto promettenti, ma preliminare, risultati. Hanno in programma di sviluppare ulteriormente lo strumento e vogliono sfruttare appieno la possibilità di punti laser limitati alla diffrazione per acquisire immagini ellissometriche iperspettrali nel medio infrarosso, che conterrebbero l'intero spettro per ogni pixel dell'immagine, con tempi di acquisizione ragionevoli.

"Crediamo che ci sarà un forte interesse per questa nuova tecnica e la possibilità di svilupparla per uso commerciale, " ha affermato Brandstetter. "La risoluzione temporale inferiore al secondo combinata con l'elevata luminosità del laser sarà utile per numerose applicazioni industriali e scientifiche".