Les chercheurs ont utilisé un laser infrarouge moyen extrêmement lumineux pour effectuer une technique analytique connue sous le nom d'ellipsométrie spectroscopique. La nouvelle approche capture des informations spectrales à haute résolution en moins d'une seconde et pourrait offrir de nouvelles informations sur les propriétés changeantes rapidement d'une variété d'échantillons, des plastiques aux matériaux biologiques.

L'ellipsométrie spectroscopique mesure comment la polarisation de la lumière change après interaction avec un échantillon. Lorsqu'il est effectué dans la partie infrarouge du spectre, cette approche peut révéler des informations détaillées sur la composition chimique et l'orientation moléculaire d'un échantillon.

Dans la revue The Optical Society (OSA) Lettres d'optique , chercheurs du Research Center for Non Destructive Testing (RECENDT) GmbH et Johannes Kepler Universität, à la fois en Autriche, décrivent comment ils ont incorporé un laser à cascade quantique (QCL) dans l'infrarouge moyen dans une configuration d'ellipsométrie spectroscopique. Ce type de laser relativement nouveau est d'au moins 10, 000 fois plus lumineuses que les sources lumineuses traditionnelles utilisées pour l'ellipsométrie spectroscopique.

Ils ont montré que le QCL améliorait grandement la qualité du signal des mesures spectroscopiques et raccourcissait le temps d'acquisition spectrale de plusieurs heures à moins d'une seconde, avec d'autres améliorations possibles à mesure que la nouvelle technologie laser progresse. Ils ont également démontré que la technique peut être utilisée pour surveiller en temps réel la réorientation moléculaire lorsqu'un film plastique est étiré.

"Notre méthode donne accès à des propriétés d'échantillons qui ne pouvaient pas être observées en temps réel auparavant, " a déclaré Markus Brandstetter, chef de l'équipe de recherche de RECENDT. "L'ellipsométrie QCL pourrait aider à améliorer les processus de fabrication et la qualité du produit résultant. Elle pourrait également révéler des processus physiques et biologiques auparavant inobservables qui conduiraient à de nouvelles découvertes scientifiques."

Une source lumineuse très lumineuse

Le QCL moyen infrarouge utilisé par les chercheurs présente un niveau de luminosité qui dépasse même celui des sources synchrotron, qui ne sont disponibles que dans des établissements spécialisés. La luminosité du laser signifie qu'il peut être utilisé pour l'ellipsométrie spectroscopique moyen infrarouge de matériaux ou de substances hautement absorbants, y compris ceux dissous dans l'eau. "En raison de l'absorbance élevée de l'infrarouge moyen de l'eau, cela a été très difficile voire inconcevable jusqu'à présent, " dit Brandstetter.

Les longueurs d'onde d'émission du laser peuvent être réglées sur une large gamme d'infrarouge moyen qui correspond parfaitement aux détecteurs d'infrarouge moyen disponibles dans le commerce. Un autre avantage est qu'il peut être utilisé pour des mesures spectroscopiques sans composants optiques coûteux et complexes tels que des monochromateurs ou des interféromètres.

"Le laser que nous avons utilisé offre également la possibilité de tailles de spots qui ne sont limitées que par la limite de diffraction de la lumière, " a déclaré Jakob Kilgus, membre de l'équipe de recherche de RECENDT. "Cela peut être exploité pour des mesures ellipsométriques avec des résolutions spatiales élevées, qui intéressera à la fois la science et l'industrie.

Faire des mesures en temps réel

Pour tester leur nouveau système, les chercheurs l'ont comparé à un instrument considéré comme l'étalon-or des ellipsomètres spectroscopiques infrarouges commerciaux. Ils ont également effectué des mesures en temps réel du réalignement des chaînes moléculaires lorsqu'un film de polypropylène était étiré.

"La nouvelle configuration a surpassé le temps d'acquisition standard et le rapport signal/bruit par des ordres de grandeur, " a déclaré Kilgus. "Notre mesure du film de polypropylène n'était limitée que par la vitesse de la platine utilisée pour appliquer la force. Des processus beaucoup plus rapides pourraient être surveillés avec la configuration."

Les chercheurs soulignent que ceux-ci sont très prometteurs, mais préliminaire, résultats. Ils prévoient de développer davantage l'instrument et souhaitent exploiter pleinement la possibilité de points laser à diffraction limitée pour acquérir des images d'ellipsométrie hyperspectrale dans l'infrarouge moyen, qui contiendraient l'ensemble du spectre pour chaque pixel de l'image, avec des temps d'acquisition raisonnables.

"Nous pensons qu'il y aura un fort intérêt pour cette nouvelle technique et la possibilité de la développer pour un usage commercial, " a déclaré Brandstetter. " La résolution temporelle inférieure à la seconde combinée à la haute luminosité du laser sera utile pour de nombreuses applications industrielles et scientifiques. "