Échographie picoseconde - Picosecond ultrasonics

L'ultrason picoseconde est un type d' ultrasons qui utilise des ultrasons ultra-haute fréquence générés par des impulsions lumineuses ultracourtes. Il s'agit d'une technique non destructive dans laquelle des impulsions acoustiques picosecondes pénètrent dans des films minces ou des nanostructures pour révéler des caractéristiques internes telles que l'épaisseur du film ainsi que des fissures , des délaminations et des vides. Il peut également être utilisé pour sonder des liquides . La technique est également appelée ultrasons laser picoseconde ou acoustique picoseconde laser .

introduction

Génération et détection d'impulsions de contrainte picoseconde dans un film mince opaque avec des impulsions optiques ultra-courtes. Dans cet exemple, l'impulsion de sonde optique arrive à la surface du film en même temps que l'impulsion de déformation de retour. En général, les mesures sont effectuées en faisant varier l' heure d'arrivée de l'impulsion de sonde optique. La dilatation thermique de la surface est omise. Par exemple, dans le cas d'un film d'aluminium, l'impulsion de déformation aura une fréquence et une bande passante typiques à la fois ~ 100 GHz, une durée de ~ 10 ps, ​​une longueur d'onde de ~ 100 nm et une amplitude de déformation de ~ 10 ^-4 lorsque utilisant des impulsions optiques de durée ~ 100 fs et d'énergie ~ 1 nJ focalisées sur un spot ~ 50 μm sur la surface de l'échantillon.

Lorsqu'une impulsion lumineuse ultracourte , appelée impulsion de pompe , est focalisée sur un film mince opaque sur un substrat, l'absorption optique se traduit par une dilatation thermique qui lance une impulsion de déformation élastique . Cette impulsion de contrainte est principalement constituée de phonons acoustiques longitudinaux qui se propagent directement dans le film sous la forme d' une impulsion cohérente .

Après réflexion acoustique à partir de l'interface film-substrat, l'impulsion de contrainte retourne à la surface du film, où elle peut être détectée par une impulsion de sonde optique retardée par réflexion optique ou (pour les films suffisamment minces) des changements de transmittance. Cette méthode résolue en temps pour la génération et la détection photoélastique d'impulsions phonons acoustiques picosecondes cohérentes a été proposée par Christian Thomsen et ses collaborateurs dans le cadre d'une collaboration entre l'Université Brown et les laboratoires Bell en 1984.

Le développement initial a eu lieu dans le groupe de Humphrey Maris à la Brown University et ailleurs à la fin des années 1980. Au début des années 1990, la méthode a été étendue à Nippon Steel Corp. par la détection directe des vibrations de surface picoseconde du film provoquées par les impulsions de déformation de retour, ce qui a permis d'améliorer la sensibilité de détection dans de nombreux cas. Les progrès après l'an 2000 incluent la génération de solitons acoustiques picosecondes par l'utilisation de distances de propagation millimétriques et la génération d' ondes de cisaillement picoseconde par l'utilisation de matériaux anisotropes ou de petites tailles de points optiques (~ 1 μm). Des fréquences acoustiques allant jusqu'à la gamme térahertz dans les solides et jusqu'à ~ 10 GHz dans les liquides ont été signalées.

Outre la dilatation thermique, une génération par potentiel de déformation ou par piézoélectricité est possible. L'ultrason picoseconde est actuellement utilisée comme technique de métrologie en couche mince pour sonder des films d'épaisseurs inférieures au micromètre avec une résolution nanométrique en profondeur, qui est largement utilisée dans l' industrie du traitement des semi - conducteurs .

Génération et détection

Génération

L'absorption d'une impulsion de pompe optique incidente crée une contrainte thermique locale près de la surface de l'échantillon. Cette contrainte lance une impulsion de déformation élastique qui se propage dans l'échantillon. La profondeur exacte de la génération de contraintes dépend notamment du matériau impliqué et de la longueur d'onde de la pompe optique. Dans les métaux et les semi-conducteurs, par exemple, la diffusion thermique et porteuse ultracourte dans le temps tend à augmenter la profondeur qui est initialement chauffée dans le premier ~ 1 ps.

Des impulsions acoustiques sont générées avec une durée temporelle approximativement égale au temps de transit acoustique sur cette profondeur initialement chauffée, en général supérieure à la profondeur d'absorption optique . Par exemple, les profondeurs d'absorption optique en Al et GaAs sont d'environ 10 nm pour la lumière bleue, mais les profondeurs de diffusion d'électrons sont d'environ 50 et 100 nm, respectivement. La profondeur de diffusion détermine l'étendue spatiale de l'impulsion de déformation dans la direction de l'épaisseur.

Le principal mécanisme de génération des métaux est la dilatation thermique, tandis que pour les semi-conducteurs, il s'agit souvent du mécanisme du potentiel de déformation. Dans les matériaux piézoélectriques, l'effet piézoélectrique inverse, résultant de la production de champs électriques internes induits par la séparation des charges , peut dominer.

Lorsque le diamètre du spot optique D , par exemple D ~ 10 µm, à la surface d'un échantillon élastiquement isotrope et plat est bien supérieur à la profondeur initialement chauffée, on peut approcher le champ acoustique se propageant dans le solide par un problème unidimensionnel, pourvu que l' on ne fonctionne pas avec des profondeurs de propagation de contrainte qui sont trop grands (~ D ² / Λ = longueur de Rayleigh , où Λ est la longueur d' onde acoustique). Dans cette configuration - celle initialement proposée pour les ultrasons picosecondes - seules les impulsions de déformation acoustique longitudinale doivent être prises en compte. L'impulsion de contrainte forme une région en forme de crêpe de contrainte longitudinale qui se propage directement dans le solide loin de la surface.

Pour de petites tailles de point approchant la limite de diffraction optique , par exemple D ~ 1 µm, il peut être nécessaire de considérer la nature tridimensionnelle du problème. Dans ce cas, la conversion de mode acoustique aux surfaces et aux interfaces et la diffraction acoustique jouent un rôle important, entraînant l'implication à la fois de polarisations de cisaillement et longitudinales. Les sépare d'impulsions de tension en différentes composantes de polarisation et se répand latéralement (pour des distances> D ² / Λ) lorsqu'elle se propage vers le bas dans l'échantillon, ce qui entraîne une plus compliquée, la distribution de déformation en trois dimensions.

L'utilisation à la fois d'impulsions de cisaillement et d'impulsions longitudinales est avantageuse pour mesurer des constantes élastiques ou des vitesses du son . Des ondes de cisaillement peuvent également être générées par l'utilisation de solides élastiquement anisotropes coupés à des angles obliques par rapport aux axes cristallins . Cela permet de générer des ondes de cisaillement ou de quasi-cisaillement avec une grande amplitude dans la direction de l'épaisseur.

Il est également possible de générer des impulsions de déformation dont la forme ne varie pas en propagation. Ces solitons dits acoustiques ont été mis en évidence à basses températures sur des distances de propagation de quelques millimètres. Ils résultent d'un équilibre délicat entre dispersion acoustique et effets non linéaires .

Détection

Les impulsions de contrainte retournant à la surface à partir d'interfaces enterrées ou d'autres régions sous-surface acoustiquement inhomogènes sont détectées comme une série d'échos. Par exemple, des impulsions de déformation se propageant en va-et-vient à travers un film mince produisent une série d'échos décroissants, dont on peut notamment dériver l'épaisseur du film, l' atténuation ultrasonore ou la dispersion ultrasonore.

Le mécanisme de détection original utilisé dans les ultrasons picoseconde est basé sur l'effet photoélastique. L' indice de réfraction et le coefficient d'extinction près de la surface du solide sont perturbés par les impulsions de déformation de retour (dans la profondeur d'absorption optique de la lumière de sonde), ce qui entraîne des changements dans la réflectance ou la transmission optique. La forme de l'écho temporel mesurée résulte d'une intégrale spatiale impliquant à la fois le profil d'absorption optique de la sonde et le profil spatial de l'impulsion de déformation (voir ci-dessous).

La détection impliquant le déplacement de surface est également possible si la phase optique est la variation est enregistrée. Dans ce cas, la forme de l'écho mesurée par la variation de phase optique est proportionnelle à une intégrale spatiale de la distribution de déformation (voir ci-dessous). La détection de déplacement de surface a été démontrée avec une déviation du faisceau optique ultrarapide et avec l' interférométrie .

Pour un échantillon isotrope homogène sous vide avec une incidence optique normale, la modulation de réflectance optique d'amplitude ( r ) peut être exprimée comme

${\ displaystyle {\ frac {\ delta r} {r}} = {\ frac {4ik {\ tilde {n}}} {1 - {\ tilde {n}} ^ {2}}} {\ frac {d {\ tilde {n}}} {d \ eta}} \ int _ {0} ^ {\ infty} \ eta (z, t) e ^ {2i {\ tilde {n}} kz} dz + 2iku (t )}$

où ( n l'indice de réfraction et κ le coefficient d'extinction) est l'indice de réfraction complexe de la lumière de sonde dans l'échantillon, k est le nombre d'onde de la lumière de sonde dans le vide, η ( z , t ) est la variation spatio-temporelle de la déformation longitudinale, est la constante photoélastique, z est la profondeur dans l'échantillon, t est le temps et u est le déplacement de surface de l'échantillon (dans la direction + z ): ${\ displaystyle {\ tilde {n}} = n + i \ kappa}$${\ displaystyle d {\ tilde {n}} / d \ eta}$

${\ displaystyle u (t) = - \ int _ {0} ^ {\ infty} \ eta (z, t) dz}$

Pour obtenir la variation de réflectivité optique pour l'intensité R on utilise , alors que pour obtenir la variation de phase optique on utilise . ${\ displaystyle \ delta R / R = 2 {\ rm {{Re} ({\ it {{\ delta r / r})}}}}}$${\ displaystyle \ delta {\ it {{\ phi} = {\ rm {{Im} ({\ it {{\ delta r / r})}}}}}}}$

La théorie de la détection optique dans les échantillons multicouches, incluant à la fois le mouvement d'interface et l'effet photoélastique, est maintenant bien développée. Le contrôle de l'état de polarisation et de l'angle d'incidence de la lumière de sonde s'est avéré utile pour détecter les ondes acoustiques de cisaillement.

Applications et défis futurs

L'ultrason picoseconde a été appliqué avec succès pour analyser une variété de matériaux, à la fois solides et liquides. Elle est de plus en plus appliquée aux nanostructures, y compris les films submicrométriques, les multicouches, les puits quantiques , les hétérostructures semi- conductrices et les nano-cavités. Il est également appliqué pour sonder les propriétés mécaniques d'une seule cellule biologique.

Voir également

• Acoustique
• Ultrason
• Téléphones
• Soliton
• Vagues
• Lumière
• Spectroscopie résolue dans le temps
• Stress
• Souche
• Photoélasticité
• Anisotropie

Références

Liens externes