Opto-akustická laboratoř

Vývoj metodiky Spektroskopie s přechodovou mřížkou

Obr. 1

Spektroskopie s přechodovou mřížkou se využívá k bezkontaktnímu ultrazvukovému měření rychlostí povrchových akustických vln s danou vlnovou délkou na volném povrchu materiálu. V současné době jsou k dispozici dvě optické sestavy. První umožňuje prostřednictvím rotace vzorku kolem normály povrchu konstruovat mapy úhlových distribucí rychlostí akustických vln. Součástí druhé sestavy je teplotní komora s rozpětím teplot od -190 °C do +600°C. Současně s vývojem aparatur probíhá i vývoj metodiky zpracování výsledných signálů a řešení inverzní úlohy pro výpočet elastických konstant.

Měření elastických koeficientů a jejich teplotních a napěťových závislostí

Obr. 2

Úhlové distribuce rychlostí povrchových akustických vln získané metodou spektroskopie s přechodovou mřížkou umožňují inverzní výpočet smykových modulů materiálů. V kombinaci s měřením v teplotní komoře je možné určit i jejich teplotní vývoj. Metoda byla úspěšně aplikována pro silně anizotropní monokrystaly slitin Cu-Al-Ni, Cu-Al-Mn a Ni-Fe-Ga-Co. Pro feromagnetické slitiny s tvarovou pamětí (např. Ni-Mn-Ga) je rovněž možné analyzovat vliv vnějšího magnetického pole a zkoumat magneto-akustické efekty v materiálu.

Systém Interferometr/Laserově-ultrazvukový přijímač umožňuje měření vývoje smykových modulů materiálů v tahu a tlaku. Tímto způsobem byla například dokumentována napěťově indukovaná martenzitická transformace v monokrystalu Ni-Ti nebo Fe-Pd.

Měření rovinné elasticity tenkých povlaků a povrchových vrstev

Obr. 3

Elastické koeficienty tenkých (≥ 300 nm) vrstev jsou určovány porovnáním akustické odezvy samotného substrátu a substrátu s vrstvou. Tato metoda byla v laboratoři použitá pro měření diamantových vrstev (DLC) a vrstev slitin s tvarovou pamětí.

Brillouinova spektroskopie

Obr. 4

Experimentální metoda, pracující na principu detekce koherentního neelastického rozptylu světla na fononech, která jako jedna z mála umožňuje měřit akustické vlny v materiálech s vlnovou délkou menší než 1 µm (dlouhovlnné akustické fonony). Pomocí této metody lze zkoumat nejen podélné a příčné objemové akustické vlny s frekvencemi do 100 GHz, ale i povrchové akustické vlny o frekvencích vyšších než 1 GHz. Dosažení těchto hodnot vlnových délek a frekvencí je nezbytné např. pro charakterizaci vlastností nanomateriálů nebo tenkých vrstev o tloušťce několika desítek nanometrů.

Všechny současně využívané metody umožňují bezkontaktní a nedestruktivní měření rychlostí povrchových akustických vln, které jsou laserově excitovány i detekovány. Ze změřených rychlostí je následně možné numericky vypočítat smykové elastické konstanty inverzní metodou.

Spektroskopie s přechodovou mřížkou

Tato experimentální metoda umožňuje vybuzení úzkopásmových povrchových akustických vln s pevně určeným směrem šíření. V současně využívané konfiguraci lze vybudit vlny s vlnovými délkami 5, 10, a 20 µm pulsním infračerveným laserem. K detekci heterodynní metodou je využit zelený laser. K dispozici jsou dvě měřící sestavy, lišící se umístěním vzorku.

Sestava A – Rotační stolek

Obr. A - TGS rotace

Při využití sestavy na obrázku A je vzorek umístěn na rotační stolek. Rotace vzorku kolem normály povrchu umožňuje zaznamenat úhlové rozložení rychlostí povrchových akustických vln elasticky anizotropních materiálů.

Sestava B – Teplotní komora

Obr. B - TGS komora

Sestava na obrázku B je vybavena vakuovou komorou, která umožňuje regulovat teplotu vzorku v rozsahu teplot od -190 °C do +600 °C.

Systém Interferometr/Laserově-ultrazvukový přijímač

Obr. C - interferometr-receiver

Metoda na obrázku C je založena na principu Time-of-arrival. Systém umožňuje vybudit širokopásmové vlny s rozsahem frekvencí od 5 do 500 MHz a definovaným směrem šíření prostřednictvím infračerveného laseru zfokusovaného na povrchu vzorku do tvaru úsečky. Detekce vybuzených vln probíhá interferometricky. Rychlosti povrchových akustických vln se vypočítají z detekovaného času příchodu vlny při známé vzdálenosti zdroje vln a bodu detekce. Vzorek je umístěn mezi čelistmi trhačky, ve kterých může být vystaven síle rovnající se až 5 kN v tlaku, případně 2 kN v tahu. Trhačka je položena na rotačním stolku, který umožňuje měření rychlostí povrchových akustických vln v elasticky anizotropních materiálech v závislosti na směru šíření.

Brillouinova spektroskopie

Obr. D - Brillouinova spektroskopie

Metoda umožňuje vyhodnocení elastických a chemických vlastností materiálů měřením energie submikronových akustických a limitně optických fononů s vysokým kontrastem a rozlišením. Laboratoř je vybavena optickou sestavou s tandemovým interferometrem, konfokálním mikroskopem, soustavou teplotních komor a heliovým kryostatem, umožňující charakterizaci objemových anorganických a organických materiálů, ale i tenkých vrstev a nanostruktur, v širokém teplotním intervalu. Měření je v závislosti na zvolené konfiguraci optické sestavy vhodné pro neprůhledné, i částečně až plně transparentní materiály. Sestava umožňuje detekci frekvencí v řádu stovek GHz, odpovídající akustickým fononům (vibracím atomové mřížky). Měření optických fononů v oblasti desítek až stovek THz je umožněno kombinací Brillouinovy spektroskopie s doplňkovým modulárním Ramanovým spektroskopem, který zaznamenává Ramanův rozptyl.

Současní studenti doktorského studia:
Ing. Tomáš Grabec

• Téma: Numerické modelování v laserově ultrazvukových metodách
• Školitel: Ing. Petr Sedlák, Ph.D.
• Rok zahájení: 2017
• Očekávaný rok ukončení: 2021

Ing. Kristýna Zoubková

• Téma: Nestabilita mikrostruktur ve feroelastikách
• Školitel: doc. Ing. Hanuš Seiner, Ph.D.
• Rok zahájení: 2019
• Očekávaný rok ukončení: 2023