ピコ秒超音波
非破壊型超音波

ピコ秒超音波は、超短光パルスによって生成される超高周波超音波を用いる超音波の一種です。ピコ秒音響パルスが薄膜やナノ構造に浸透し、膜厚、亀裂、剥離、空隙などの内部構造を明らかにする非破壊検査技術です。また、液体の探査にも使用できます。この技術は、ピコ秒レーザー超音波またはレーザーピコ秒音響とも呼ばれます。

導入

超短光パルスを用いた不透明薄膜におけるピコ秒ひずみパルスの生成と検出。この例では、光プローブパルスは、戻ってくるひずみパルスと同時に膜表面に到達します。一般的に、測定は光プローブパルスの到達時間を変化させることによって行われます。表面の熱膨張は考慮されません。例えば、アルミニウム膜の場合、ひずみパルスの典型的な周波数と帯域幅はともに約100GHz、持続時間は約10ps、波長は約100nm、ひずみ振幅は約10-4となります。これは、持続時間約100fs、エネルギー約1nJの光パルスをサンプル表面の約50μmのスポットに集束させた場合です。

ポンプパルスと呼ばれる超短光パルスを基板上の薄い不透明膜に集光すると、光吸収によって熱膨張が生じ、弾性ひずみパルスが発生します。このひずみパルスは主に縦波音響フォノンで構成され、コヒーレントパルスとして膜内に直接伝播します。

膜と基板の界面で音響反射した後、歪パルスは膜表面に戻り、そこで光反射率、あるいは（十分に薄い膜の場合は）透過率の変化を介して遅延光プローブパルスによって検出されます。この時間分解法によるコヒーレントピコ秒音響フォノンパルスの生成と光弾性検出は、 1984年にクリスチャン・トムセンらによってブラウン大学とベル研究所の共同研究で提案されました。[1]

最初の開発は、1980年代後半にブラウン大学のハンフリー・マリス氏のグループなどで行われました。 [2] [3] 1990年代初頭には日本製鉄でこの手法の範囲が拡張され、戻りひずみパルスによって引き起こされるフィルムのピコ秒表面振動を直接検知できるようになり、多くの場合検出感度が向上しました。[4] 2000年以降の進歩には、ミリメートル単位の伝搬距離を利用したピコ秒音響ソリトンの生成[5]や、異方性材料[6]または小さな（約1μm）光スポットサイズの使用によるピコ秒横波の生成などがあります。 [7]固体ではテラヘルツ領域まで、液体では約10GHzまでの音響周波数が報告されています。

熱膨張以外にも、変形ポテンシャルや 圧電効果による発生も可能です。ピコ秒超音波は現在、サブミクロンの厚さの薄膜をナノメートル単位の分解能で深く探査する薄膜計測技術として利用されており、半導体プロセス産業で広く利用されています。また、ナノ材料内部の音速測定やフォノン物理の研究にも応用されています。

生成と検出

世代

入射光ポンプパルスの吸収により、試料表面付近に局所的な熱応力が発生します。この応力は弾性ひずみパルスを発生させ、試料内部に伝播します。応力発生の正確な深さは、特に材料と光ポンプ波長に依存します。例えば金属や半導体では、超短時間スケールの熱拡散とキャリア拡散により、最初の約1ピコ秒以内に加熱される深さが増加する傾向があります。[2] [11] [12] [13]

音響パルスは、この初期加熱深さにおける音響伝播時間とほぼ等しい持続時間で生成されます。この持続時間は、一般に光吸収深さよりも長くなります。例えば、AlとGaAsにおける青色光の光吸収深さは約10 nmですが、電子の拡散深さはそれぞれ約50 nmと100 nmです。拡散深さは、厚さ方向におけるひずみパルスの空間的広がりを決定します。

金属の場合、主な発生メカニズムは熱膨張ですが、半導体の場合は多くの場合、変形ポテンシャルメカニズムです。圧電材料では、電荷分離によって誘起される内部電界の生成から生じる逆圧電効果が支配的となる場合があります。

弾性等方性で平坦なサンプルの表面における 光スポット径D（例えばD約10 μm）が、初期加熱深さよりもはるかに大きい場合、ひずみ伝播深さが大きすぎないことを条件として、固体内部に伝播する音響場を1次元問題で近似することができます（約D ²/Λ =レイリー長、Λ は音響波長）。この構成（元々はピコ秒超音波用に提案されたもの）では、縦方向の音響ひずみパルスのみを考慮する必要があります。ひずみパルスは、表面から固体内部に直接伝播するパンケーキ状の縦方向ひずみ領域を形成します。

光回折限界に近い小さなスポットサイズ、例えばD～1μmの場合、問題の3次元的性質を考慮する必要があるかもしれません。この場合、表面および界面における音響モード変換と音響回折[14]が重要な役割を果たし、結果としてせん断偏光と縦偏光の両方が関与することになります。ひずみパルスは異なる偏光成分に分離し、試料に伝播するにつれて横方向（距離> D² /Λ）に広がり、より複雑な3次元ひずみ分布を形成します。

横波と縦波の両方を使用することは、弾性定数や音速の測定に有利です。横波は、結晶軸に対して斜めに切断された弾性異方性固体を用いることでも発生させることができます。これにより、厚み方向に大きな振幅を持つ横波または準横波を発生させることができます。

伝播中に形状が変化しない歪みパルスを生成することも可能である。これらのいわゆる音響ソリトンは、低温において数ミリメートルの伝播距離で実証されている。[5]これらは、音響分散と非線形効果の微妙なバランスから生じる 。

検出

埋没界面やその他の音響的に不均一な地下領域から地表へ戻るひずみパルスは、一連のエコーとして検出されます。例えば、薄膜中を往復伝播するひずみパルスは、減衰する一連のエコーを生成し、そこから特に膜厚、超音波減衰、または超音波分散を導き出すことができます。

ピコ秒超音波で用いられる本来の検出機構は、光弾性効果に基づいています。固体表面近傍の屈折率と消衰係数は、プローブ光の光吸収深度内で返ってくるひずみパルスによって変動し、その結果、光反射率または透過率が変化します。測定される時間的エコー形状は、プローブ光の光吸収プロファイルとひずみパルスの空間プロファイルの両方を含む空間積分から得られます（下記参照）。

光位相を記録すれば、表面変位を伴う検出も可能です。この場合、光位相の変化を通して測定されたエコー形状は、ひずみ分布の空間積分に比例します（下記参照）。表面変位の検出は、超高速光ビーム偏向と干渉法によって実証されています。[15] [16]

真空中の均質等方性試料に対して、垂直光入射の場合、光振幅反射率（r）変調は次のように表される[2] [17]

δ r r ＝ 4 私 け n 〜 1 − n 〜 2 d n 〜 d η ∫ 0 ∞ η （ z 、 t ） e 2 私 n 〜 け z d z + 2 私 け あなた （ t ） {\displaystyle {\frac {\delta r}{r}}={\frac {4ik{\tilde {n}}}{1-{\tilde {n}}^{2}}}{\frac {d{\tilde {n}}}{d\eta }}\int _{0}^{\infty }\eta (z,t)e^{2i{\tilde {n}}kz}dz+2iku(t)}

ここで 、（nは屈折率、κは消衰係数）はサンプル中のプローブ光の複素屈折率、kは真空中のプローブ光の波数、η（z、t）は時空間的な縦方向のひずみ変化、は光弾性定数、zはサンプル内の深さ、tは時間、uはサンプルの表面変位（+ z方向）です。 n 〜 ＝ n + 私 κ {\displaystyle {\チルダ {n}}=n+i\kappa } d n 〜 / d η {\displaystyle d{\チルダ {n}}/d\eta }

あなた （ t ） ＝ − ∫ 0 ∞ η （ z 、 t ） d z {\displaystyle u(t)=-\int _{0}^{\infty }\eta (z,t)dz}

強度Rに対する光反射率の変化を取得するにはを使用し、光位相の変化を取得するには を使用します。 δ R / R ＝ 2 R e （ δ r / r ） {\displaystyle \delta R/R=2{\rm {{Re}({\it {{\delta r/r})}}}} δ ϕ ＝ 私 メートル （ δ r / r ） {\displaystyle \delta {\it {{\phi }={\rm {{Im}({\it {{\delta r/r})}}}}}}

多層試料における光検出の理論は、界面運動と光弾性効果の両方を含めて、現在では十分に発達している。[16] [18]プローブ光の偏光状態と入射角の制御は、せん断音波の検出に有用であることが示されている。[6] [19]

応用と将来の課題

ピコ秒超音波は、固体および液体を含む様々な材料の分析に効果的に応用されてきました。サブミクロンの薄膜、多層膜、量子井戸、半導体ヘテロ構造、ナノキャビティなどのナノ構造への応用がますます進んでいます。また、単一の生物細胞の機械的特性を調べるためにも応用されています。[20] [21]

参照

参考文献

  1. ^ Thomsen, C.; Strait, J.; Vardeny, Z.; Maris, HJ; Tauc, J.; Hauser, JJ (1984年9月3日). 「ピコ秒光パルスによるコヒーレントフォノン生成と検出」. Physical Review Letters . 53 (10). American Physical Society (APS): 989– 992. Bibcode :1984PhRvL..53..989T. doi :10.1103/physrevlett.53.989. ISSN  0031-9007.
  2. ^ abc Thomsen, C.; Grahn, HT; Maris, HJ; Tauc, J. (1986年9月15日). 「ピコ秒光パルスによるフォノンの表面生成と検出」(PDF) . Physical Review B. 34 ( 6). American Physical Society (APS): 4129– 4138. Bibcode :1986PhRvB..34.4129T. doi :10.1103/physrevb.34.4129. ISSN  0163-1829. PMID 9940178. 2012年2月15日時点 のオリジナル(PDF)からのアーカイブ。
  3. ^ Eesley, Gary L.; Clemens, Bruce M.; Paddock, Carolyn A. (1987年3月23日). 「金属薄膜におけるピコ秒音響パルスの生成と検出」. Applied Physics Letters 50 (12). AIP Publishing: 717– 719. Bibcode : 1987ApPhL..50..717E. doi :10.1063/1.98077. ISSN  0003-6951.
  4. ^ Wright, OB; Kawashima, K. (1992年9月14日). 「超高速表面振動によるコヒーレントフォノン検出」. Physical Review Letters . 69 (11). American Physical Society (APS): 1668– 1671. Bibcode :1992PhRvL..69.1668W. doi :10.1103/physrevlett.69.1668. ISSN  0031-9007. PMID  10046283.
  5. ^ ab Hao, H.-Y.; Maris, HJ (2001年7月18日). 「結晶固体における音響ソリトンの実験」. Physical Review B. 64 ( 6) 064302. アメリカ物理学会 (APS). Bibcode :2001PhRvB..64f4302H. doi :10.1103/physrevb.64.064302. ISSN  0163-1829.
  6. ^ ab Matsuda, O.; Wright, OB; Hurley, DH; Gusev, VE; Shimizu, K. (2004年8月24日). 「超短光パルスによるコヒーレントシアフォノン生成と検出」. Physical Review Letters . 93 (9) 095501. American Physical Society (APS). Bibcode :2004PhRvL..93i5501M. doi :10.1103/physrevlett.93.095501. hdl : 2115/14637 . ISSN  0031-9007. PMID  15447110. S2CID  3737031.
  7. ^ Rossignol, C.; Rampnoux, JM; Perton, M.; Audoin, B.; Dilhaire, S. (2005年4月29日). 「超短レーザーパルスを用いた金属サブミクロン薄膜におけるせん断音響波の生成と検出」. Physical Review Letters . 94 (16) 166106. アメリカ物理学会 (APS). Bibcode :2005PhRvL..94p6106R. doi :10.1103/physrevlett.94.166106. ISSN  0031-9007. PMID  15904252.
  8. ^ Pascual Winter, MF; Rozas, G.; Fainstein, A.; Jusserand, B.; Perrin, B.; Huynh, A.; Vaccaro, PO; Saravanan, S. (2007年6月28日). 「コヒーレント音響ナノキャビティモードの選択的光生成」. Physical Review Letters . 98 (26) 265501. アメリカ物理学会 (APS). Bibcode :2007PhRvL..98z5501P. doi :10.1103/physrevlett.98.265501. ISSN  0031-9007. PMID  17678102.
  9. ^ Sun, Chi-Kuang; Liang, Jian-Chin; Yu, Xiang-Yang (2000年1月3日). 「圧電場を用いた半導体多重量子井戸におけるコヒーレント音響フォノン振動」( PDF) . Physical Review Letters 84 (1). American Physical Society (APS): 179– 182. Bibcode :2000PhRvL..84..179S. doi :10.1103/physrevlett.84.179. ISSN  0031-9007. PMID  11015864.
  10. ^ Wright, OB; Perrin, B.; Matsuda, O.; Gusev, VE (2008年7月25日). 「液体水銀中のピコ秒音響パルスの光学的励起と検出」. Physical Review B. 78 ( 2) 024303. American Physical Society (APS). Bibcode :2008PhRvB..78b4303W. doi :10.1103/physrevb.78.024303. ISSN  1098-0121.
  11. ^ Wright, OB (1994年3月1日). 「金と銀における超高速非平衡応力発生」. Physical Review B. 49 ( 14). American Physical Society (APS): 9985–9988 . Bibcode :1994PhRvB..49.9985W. doi :10.1103/physrevb.49.9985. ISSN  0163-1829. PMID  10009806.
  12. ^ Tas, Guray; Maris, Humphrey J. (1994年5月1日). 「ピコ秒超音波による金属中の電子拡散の研究」. Physical Review B. 49 ( 21). American Physical Society (APS): 15046– 15054. Bibcode :1994PhRvB..4915046T. doi :10.1103/physrevb.49.15046. ISSN  0163-1829. PMID  10010610.
  13. ^ Wright, OB; Perrin, B.; Matsuda, O.; Gusev, VE (2001年8月2日). 「ピコ秒音響パルスによるガリウムヒ素中の超高速キャリア拡散の検出」. Physical Review B. 64 ( 8). American Physical Society (APS): 081202(R). Bibcode :2001PhRvB..64h1202W. doi :10.1103/physrevb.64.081202. hdl : 2115/5797 . ISSN  0163-1829.
  14. ^ ピコ秒超音波
  15. ^ 立崎 健弘; 室屋 俊宏; 松田 修; 菅原 義弘; ハーレー David H.; ライト Oliver B. (2006). 「走査型超高速サニャック干渉法による2次元表面波伝搬イメージング」. Review of Scientific Instruments . 77 (4). AIP Publishing: 043713–043713–12. Bibcode :2006RScI...77d3713T. doi :10.1063/1.2194518. hdl : 2115/9100 . ISSN  0034-6748. S2CID  56057059.
  16. ^ ab B. Perrin、B. Bonello、JC Jeannet、E. Romatet、「変調構造におけるハイパーサウンド波の干渉検出」、Prog. Nat. Sci. Suppl. 6、S444 (1996)。
  17. ^ VE グセフ、アクスト。アクタ。アクト。 82、S37 (1996)。]
  18. ^ Matsuda, O.; Wright, OB (2002年12月2日). 「ピコ秒ひずみパルス伝播による多層膜の反射と透過」. Journal of the Optical Society of America B. 19 ( 12). The Optical Society: 3028. Bibcode :2002JOSAB..19.3028M. doi :10.1364/josab.19.003028. hdl : 2115/44497 . ISSN  0740-3224. S2CID  122827272.
  19. ^ Mounier, D.; Morozov, E.; Ruello, P.; Breteau, J.-M.; Picart, P.; Gusev, V. (2008). 「過渡的フェムト秒偏光測定法によるせん断ピコ秒音響パルスの検出」.ヨーロッパ物理学ジャーナル特集号. 153 (1). Springer Science and Business Media LLC: 243– 246. Bibcode :2008EPJST.153..243M. doi :10.1140/epjst/e2008-00436-2. ISSN  1951-6355. S2CID  120869944.
  20. ^ Rossignol, C.; Chigarev, N.; Ducousso, M.; Audoin, B.; Forget, G.; Guillemot, F.; Durrieu, MC (2008年9月22日). 「単一細胞におけるin vitroピコ秒超音波」. Applied Physics Letters . 93 (12). AIP Publishing: 123901. Bibcode :2008ApPhL..93l3901R. doi :10.1063/1.2988470. ISSN  0003-6951. S2CID  10509969.
  21. ^ Ducousso, Mathieu; El-Farouk Zouani, Omar; Chanseau, Christel; Chollet, Céline; Rossignol, Clément; Audoin, Bertrand; Durrieu, Marie-Christine (2013). 「ピコ秒超音波によるサブミクロン厚の固定骨細胞の機械的特性評価」. The European Physical Journal Applied Physics . 61 (1). EDP Sciences: 11201. Bibcode :2013EPJAP..6111201D. doi :10.1051/epjap/2012120279. ISSN  1286-0042.
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