В журнале Optics Letters от The Optical Society (OSA) исследователи из лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института, США, продемонстрировали свой новый микроскоп, измеряя инфракрасные спектры отдельных 3-микронных сфер, сделанных из диоксида кремния или акрила. В новом методе используется простая оптическая установка, состоящая из компактных компонентов, которые позволят превратить инструмент в портативное устройство размером с коробку из-под обуви.
«Самым важным преимуществом нашей новой техники является ее очень чувствительная, но удивительно простая конструкция», – сказал Райан Салленбергер, младший сотрудник MIT Lincoln Labs и первый автор статьи. "Он открывает новые возможности для неразрушающего химического анализа, открывая путь к сверхчувствительным и более компактным приборам."
Способность микроскопа идентифицировать отдельные частицы может сделать его полезным для быстрого обнаружения химических угроз или контролируемых веществ. Его высокая чувствительность также идеально подходит для научного анализа очень маленьких образцов или для измерения оптических свойств материалов.
Зондирование спектральных отпечатков пальцев
Инфракрасная спектроскопия обычно используется для идентификации неизвестных материалов, потому что почти каждый материал можно идентифицировать по уникальному инфракрасному спектру поглощения или отпечатку пальца.
Новый метод обнаруживает этот инфракрасный отпечаток пальца без использования инфракрасных детекторов. Эти детекторы значительно увеличивают объем традиционных инструментов, что ограничивает портативные устройства из-за их потребности в охлаждении.
Новый метод работает, освещая частицы как инфракрасным, так и зеленым лазерами. Инфракрасный лазер передает энергию частицам, заставляя их нагреваться и расширяться.
Зеленый лазерный свет затем рассеивается этими нагретыми частицами. Камера с видимой длиной волны используется для наблюдения за этим рассеянием, отслеживая физические изменения отдельных частиц через линзу микроскопа.
Прибор можно использовать для определения материального состава отдельных частиц путем настройки инфракрасного лазера на разные длины волн и сбора видимого рассеянного света на каждой длине волны. Небольшой нагрев частиц не приводит к постоянным изменениям материала, что делает метод идеальным для неразрушающего анализа.
Возможность возбуждать частицы инфракрасным светом, а затем смотреть на их рассеяние с помощью видимых длин волн – процесс, называемый фототермической модуляцией рассеяния Ми – используется с 1980-х годов. В этой новой работе используются более совершенные оптические компоненты для создания и обнаружения рассеяния Ми, и это первая работа, в которой используется конфигурация визуализации для обнаружения нескольких видов частиц.
«Мы фактически делаем снимки местности, которую опрашиваем», – сказал Александр Столяров, технический персонал и соавтор статьи. "Это означает, что мы можем одновременно исследовать несколько частиц на поверхности одновременно."
Использование в новом микроскопе видимых длин волн для визуализации дает ему пространственное разрешение около 1 микрона по сравнению с примерно 10 микронным разрешением традиционных методов инфракрасной спектроскопии. Это повышенное разрешение позволяет новому методу различать и идентифицировать отдельные частицы, которые очень малы и расположены близко друг к другу.
«Если в поле зрения есть две очень разные частицы, мы можем идентифицировать каждую из них», – сказал Столяров. "Это было бы невозможно с помощью обычного инфракрасного излучения, потому что изображение было бы неразличимым."
Компактный настраиваемый инфракрасный лазер
Разработка компактных перестраиваемых квантово-каскадных инфракрасных лазеров была ключевой технологией, позволившей использовать новую технику.
Исследователи объединили квантовый каскадный лазер с очень стабильным лазерным источником видимого диапазона и коммерчески доступной камерой научного уровня.
«Мы надеемся увидеть улучшения в мощных квантовых каскадных лазерах с перестраиваемой длиной волны», – сказал Салленбергер. «Более мощный инфракрасный лазер позволяет нам исследовать большие площади за то же время, позволяя одновременно исследовать больше частиц."
Исследователи планируют протестировать свой микроскоп на дополнительных материалах, в том числе на частицах несферической формы.
Они также хотят протестировать свою установку в более реалистичных средах, которые могут содержать помехи в виде частиц, не относящихся к интересующему химическому веществу.
«Присутствие помех, пожалуй, самая большая проблема, которую, как я полагаю, нам придется преодолеть», – сказал Столяров. «Хотя загрязнение является проблемой для любого метода измерения поглощения небольшими количествами материалов, я думаю, что наш метод может решить эту проблему, поскольку он позволяет исследовать одну частицу за раз."