Secció de Làsers i Mesura de Propietats Físiques

17/10/2023 | SCIC
Compartir

Compartir

Facebook
X
Linkedin
Whatsapp
Gmail
Imprimir

Tècniques

  • Perfilometria. Aquesta tècnica permet la caracterització topogràfica de superfícies realitzant perfils o reconstruccions tridimensionals, a més d'anàlisis de rugositat i ondulació. Així és una eïna força útil per l'anàlisi de microlents, elements difractius, membranes, capes de polímers, materials ceràmics o altres. 
  • Làsers polsats. Els làsers de polsos ultracurts, amb duracions del pols en el rang de picosegons o femtosegons, ofereixen possibilitats sense precedents per a interactuar amb la naturalesa. Aquest tipus de làsers s’han convertit en una eina fonamental en el processat de materials i l’òptica no lineal, tenint nombroses aplicacions en medicina, enginyeria de materials o la manufactura de dispositius. A més, el SCIC gaudeix en les seves instal·lacions d’un làser polsat de nanosegons amb longitud d’ona sintonitzable, ideal per a l’estudi de processos de fluorescència o generació de nanopartícules. D’aquesta manera el SCIC ofereix làsers polsats des de nanosgons fins femtosegons, útils per a un ampli rang d’amplicacions.
  • Espectroscòpia de fluorescència. Aquesta tècnica consisteix a fer incidir radiació electromagnètica de certa longitud d'ona sobre una mostra, excitant-la, i analitzar la radiació emesa després de la desexcitació del material. Els espectres d'emissió proporcionen informació quantitativa i qualitativa de la mostra, com per exemple dels nivells vibracionals en les molècules. Com el temps de vida del procés de fluorescència és de l'ordre de 10 ns es necessiten sistemes ràpids de detecció per a la seua mesura.
  • Mesura d’impedàncies. Molts aspectes claus de les propietats d'un material com la relaxació molecular, conductivitat, separació de fases, transició de fases, energia d'activació, temperatura del vidre, taxa de mescla, puresa, envelliment i molts altres es poden determinar mitjançant un analitzador espectral amb control de freqüència, temperatura, voltatge i temps.

Prestacions

Perfilometria

El SCIC disposa de dos equips per a realitzar perfilometria: el perfilòmetre mecànic Dektak 6M de l’empresa Veeco, i el perfilòmetre òptic PLµ 2300 de Sensofar.

El Dektak 6M és un perfilòmetre de contacte capaç de mesurar escalons per sota de 100 Å i fer anàlisi de rugositat i ondulació en el rang del sub-nanòmetre. El dispositiu pren mesures electromecàniques movent la mostra sota un llapis amb punta de diamant mitjançant una etapa d’alta precisió. La mostra es meneja d’acord a paràmetres definits per l’usuari com longitud i velocitat de l’escombratge, i força de la punta. Mentre es mou l’etapa, les variacions en la superfície de la mostra produeixen translacions verticals del llapis, que està dins d’un bobinatge, generant-se variacions de voltatge que són proporcionals les variacions d’altura. A partir de la digitalització d’aquests voltatges es representa el perfil.

EL perfilòmetre no invasiu PLµ 2300 és una eina versàtil i robusta per a obtenir ràpidament imatges de superfícies amb resolucions de l’ordre de la micra. La tècnica de perfilometria confocal es basa en que sols es mesura intensitat de la llum reflectida dels punts que estan en el plànol focal de l’objectiu. Aleshores movent verticalment l’objectiu es realitza un perfil axial en un punt de la mostra. Movent la mostra transversalment mitjançant una etapa de precisió, es repeteix el procés realitzant un perfil axial per a cadascun dels punts de l’escombratge transversal. A partir de la informació recollida es poden realitzar reconstruccions tridimensionals de la mostra i anàlisi de rugositat i ondulació.

 

Làsers polsats  

Els làsers polsats instal·lats en el SCIC permeten realitzar aplicacions en el rang des de nanosegons fins femtosegons. Es disposa de tres equips làser: ASTRELLA HE-USP-5, MONACO 1035-80-60 y VIBRANT 355 B II.


El làser ASTRELLA és un làser amplificador ultrar-ràpid capaç de generar polsos de menys de 35 fs amb energies de 2 mJ per pols. Aquest equip és ideal per a diferents aplicacions com Time-Resolved Spectroscopy, Multidimensional Spectroscopy, THz Spectroscopy, fs Micromachining, Surface SFG/SHG o Stimulated Raman Scattering.


El làser industrial MONACO és un equip versàtil que permet el processat de materials amb un alt llindar d’ablació, generant polsos de 80 µJ d’energia a 750 kHz de taxa de repetició. La duració del pols es pot sintonitzar des de 350 fs fins 10 ps. A més, és possible assolir 50 MHz de taxa de repetició per al processat ultra ràpid mitjançant escàners. També és viable generar trens de polsos amb una energia  fins 320 µJ idònia per al processat de vidre. Entre les aplicacions d’aquest equip estan Glass Cutting and Welding, Thin Film/Foil Cutting, IC Package, Medical Device Manufacturing, OPA Pumping Optogenetics.


El sistema làser VIBRANT 355 B II consta d’un làser de Nd-Yag polsat que permet, mitjançant cristalls no lineals, feixos de llum polsada de 5 ns amb longituds d’ona de 1064, 532 i 355 nm. A més, el sistema inclou un oscil·lador òptic paramètric (OPO) que permet sintonitzar longituds d’ona des de 410 nm fins 2400 nm. La versatilitat per a seleccionar la longitud d’ona i els 10 Hz de taxa de repetició fan d’aquest equip una opció per a aplicacions d’espectroscòpia. També, la possibilitat d’obtenir feixos de 532 nm, 5 ns i fins a 400 mJ per pols és un recurs útil per al processat de materials tals com la generació de nanopartícules.
 

 

Espectroscòpia de fluorescència 

En un dels laboratoris del SCIC, per a poder desenvolupar en aquesta tècnica, es disposa d’una font sintonitzable de radiació polsada, un monocromador, un espectròmetre de feix i un oscil·loscopi.

L’esquema bàsic per a realitzar espectroscòpia de fluorescència consisteix en: una font de radiació per l’excitació de la mostra, i un espectròmetre o un monocromador per a obtenir l’espectre de la radiació de fluorescència.

En el SCIC, la font de radiació és el sistema làser sintonitzable Vibrant B 355 II, de l’empresa Opotek, capaç d’excitar les mostres en el rang de 210 a 2400 nm. El monocromador és SpectraPro 2300i, de l’empresa ACTON Research Corporation, amb una resolució espectral de 0.1 nm @435.8 nm per a una escletxa de 10 µm x 4 mm, i un rang d’escaneig de 200 a 750 nm. També es disposa de l’espectròmetre compacte de fibra òptica Black Comet CXR, de l’empresa StellarNet, amb un rang espectral de 220 a 1100 nm, i resolució menor de 1 nm per a una escletxa de 25 µm.

Un esquema possible per a mesurar temps de vida mitjana d’un procés de fluorescència consisteix en: una font de radiació polsada com a excitació, un monocromador i un oscil·loscopi de resposta ràpida. La idea bàsica és enregistrar temporalment la corba d’emissió de fluorescència associada a un sol pols d’excitació. Cal que el temps d’excitació, i per tant la durada del pols, siga menut. En el SCIC, el làser Vibrant B 355 II és polsat amb una durada del pols de 4ns i una freqüència de repetició de 10 Hz. Aquesta baixa freqüència permet enregistrar tota la corba d’emissió de fluorescència, els temps de vida mitjana de la qual són de l’ordre de nanosegons. La corba s’aconsegueix a partir dels senyals d’emissió mesurades pel monocromador i enviades a un oscil·loscopi sincronitzat amb el pols d’excitació mitjançant un fotodíode de resposta ràpida també connectat a l’oscil·loscopi. En el laboratori del SCIC es disposa de l’oscil·loscopi digital model TDS5000B, de l’empresa Tektronix, amb una amplada de banda fins a 500 MHz i una velocitat de digitalització de 5 GS/s.

 

Mesura impedàncies

El SCIC disposa de dos equips per a la mesura d’impedàncies: Alpha dielectric, conductivity, impedance and gain phase analyzer, de l’empresa Novocontrol, i E4991A RF Impedance/material analyzer, de l’empresa Agilent.

El alpha analyzer mesura la impedància o la funció dielèctrica complexa de materials a freqüències entre 3 µHz i 20 MHz. L’analitzador és capaç de mesurar impedàncies des de 0.01 Ω fins a 1014 Ω amb alta precisió i resolució. A més l’equip disposa d’un sistema de control de temperatura, permeten la mesura de propietats elèctriques de la mostra sotmesa a temperatures entre -160ºC fins a 450ºC. Aquest sistema de control és Quattro Cryosystem, també de Novocontrol.

EL E4991A RF és un analitzador adient per a la mesura de impedàncies i mesures dielèctriques i magnètiques de dispositius de radiofreqüència. Assoleix gran precisió en el rang de freqüències de 1 MHz a 3 GHz, mesurant impedàncies entre 0.2 Ω i 3 kΩ.

Instrumentació

Perfilometria

  • Perfilòmetre òptic (interferomètric i confocal)
    Perfilometria Perfilometre Òptic
    Model PLμ2300 de la empresa Sensofar, amb les següents característiques tècniques:
    • Resolució de desplaçament vertical: 0.1 μm.
    • Altura màxima de la mostra ajustable.
    • Mesa de desplaçament XY.
    • Desplaçament vertical: 30 mm (limitat per la distància de treball de l’objectiu).
  1. Tècnica confocal
    • Dos objectius, de 50X i de 20X.
    • Distància de treball: de l’ordre de 1 mm (amb objectiu 50X), 4.5 mm (amb objectiu 20X).
    • Obertura numèrica mínima: 0.8 (50X), 0.45 (20X)
    • Mínim mostreig espacial (màxima resolució): 0.36 μm (50X), 0.91 μm (20X).
    • Pendent màxima: major o igual a 42º (50X), 21º (20X).
    • Repetibilitat (rms): menor de 4 nm (50X), 20 nm (20X).
       
  2. Tècnica interferomètrica
    • Un objectiu interferomètric 20X.
    • Distància de treball: de l’ordre de 4.7 mm (amb objectiu 20X).
    • Obertura numèrica mínima: 0.3 (20X).
    • Mínim mostreig espacial (màxima resolució): 0.86 μm (20X).
    • Pendent màxima: major o igual a 17.7º (20X).
    • Repetibilitat (rms): menor de 0.1 nm amb tècnica PSI i menor de 1 nm amb VSI (20X).
       
  • Perfilòmetre mecànic

    Perfilometria Perfilometre MecànicModel Dektack 6 de la empresa Veeco, amb les següents característiques tècniques:
    • Repetibilitat vertical garantida de 8 Å (1 sigma).
    • Resolució vertical de fins 1 Å.
    • Interval vertical de més de 250 μm.
    • Distància d’escombratge superior a 10 mm.
    • Resolució horitzontal màxima: 50 nm.
    • Força de l’estilet ajustable de fins 1 mg.
    • Porta-mostres amb capacitat de desplaçament XY i de rotació manuals.
    • Estilet de radi de curvatura normal.
    • Estilet de radio de curvatura submicrónic.
    • Patrons de calibratge d’aproximadament 40 nm i 1.8 μm.
    • Càmera de visualització de mostres amb sistema de tractament d’imatges. 
    • PC de control i anàlisi de darrera generació. 
    • Software d’anàlisi de perfils i mesura de paràmetres de rugositat.

Làsers polsats

  • ASTRELLA HE-USP-5 (Coherent)

Longitud d’ona (nm): 800 
Taxa de repetició (kHz): 5 
Duració del pols (fs): <35
Contrast pre-pols: < 1000:1
Contrast post-pols: <100:1
Estabilitat de potència (rms): <0.5
Estabilitat d’assenyalar amb el feix (µrad) (rms): <10
Diàmetre del feix (mm)(1/e2): 11
Mode espacial: TEM00, M2<1.25
Polarització: lineal, horitzontal
Energia por pols (mJ): < 2

 

  • MONACO 1035-80-60 (Coherent)

Longitud d’onda (nm): 1035
Potència (W): 60
Seeder Burst Mode (µJ): < 320
Taxa de repetició: des d’un sols dispar fins 50 MHz 
Duració del pols: des de 350 fs fins 10 ps
Mode espacial: TEM00, M2<1.2
Divergència del feix (mrad, 2Ø): <1
Diàmetre del feix (mm)(1/e2): 2.7±0.3
Beam Circularity (%): <85
Polarization Ratio: <100:1
Polarització: vertical ± 3o
Estabilitat d’assenyalar amb el feix (urad/oC): <25
Estabilitat d’energia (rms): <1.5
Estabilitat de potència (rms): <1.5

 

  • VIBRANT 355 B II (OpoTek)

El sistema làser consta de dues parts, el làser de bombeig Brilliant b i l’oscil·lador òptic paramètric OPO.

Làser de bombeig Brilliant b 
Taxa de repetició: des de un pols fins 10 Hz
Duració del pols (ns): 5
Longituds d’ona (nm): 532, 355
Energia per pols (mJ): 400 (532 nm), 180 (355 nm)
Diàmetre del feix (mm): 9
Estabilitat d’assenyalar amb el feix (µrad): <50
Divergència (mrad): 0.5
Polarització: lineal horitzontal

OPO
Rang de longituds d’onda (nm): 410 – 2400
Pic d’energia (mJ): 50
Divergència (mrad): <2 (vertical), <10 (horitzontal)
Polarització: linear horitzontal (Signal), linear vertical (Idler)
 

Espectroscòpia de fluorescència

  • Espectroscòpia de fluorescènciaLàser de Nd-YAG amb OPO
    • Làser polsat Nd-YAG model Brilliant (Quantel) que inclou generadors de segon i tercer harmònics amb eixida a 1064 nm, 532 nm y 355 nm, respectivament. Amb aquest làser s’obtenen polsos d’aproximadament 4-6 ns de duració, i es poden aconseguir una energia per pols de l’ordre de 850 mJ a 1064 nm.
    • Làser polsat Nd-YAG model Brilliant (Quantel) que inclou generadors de segon i tercer harmònics amb eixida a 1064 nm, 532 nm i 355 nm, respectivament. Amb aquest làser s’obtenen polsos d’aproximadament 4-6 ns de duració, i es poden aconseguir una energia per pols de l’ordre de 850 mJ a 1064 nm.
    • Oscil·lador Òptic Paramètric (OPO) model Vibrant 355 II (Opotek), bombejat pel làser Nd-YAG, de doble ressonància i doble pas amb eixides de signal i idler colineals i separables mitjançant polaritzador sintonitzable entre 410 i 2400 nm. Es disposa també d’un mòdul duplicador que permet sintonitzar entre 210 i 355 nm. La potència d’eixida està entre 1 i 30 mJ/polsos depenent de la zona espectral.
       
  • Monocromador, detector i oscil·loscopi
    • Monocromador model SpectraPro-2300i (Acton Research Corporation) de distància focal 300 mm i obertura f/4 capaç d’arribar a una resolució de 0.1 nm a 435.8 nm. Disposa d’una finestra d’entrada micromètrica ajustable des de 10 μm a 3 mm i amplades de finestra de 4 i 14 mm. Inclou un mecanisme d’escombratge de longituds d’ona controlat directament a través d’un programa informàtic.
    • Fotodíode Hamamatsu model H7732-10 amb tub fotomultiplicador de 28 mm (1-1/8”) de diàmetre i una font d’alimentació d’alt voltatge. El mòdul és sensible des de el UV (185 nm) fins l’infraroig  proper (900 nm), sent especialment sensible a longituds d’ona properes a 600 nm. 
    • Oscil·loscopi digital Tektronix, model TDS5000B, amb amplada de banda de fins a 1GHz, velocitat de “mostreig” de 5GS/s en temps real, fins 100.000 adquisicions per segon, diferents modes d’adquisició, completa capacitat de programació i control de “triggers” avançat.

Mesura impedàncies

  • Mesura ImpedànciesMesurador de impedància dielèctrica
    • Interval de freqüències de mesura 3 μHz ... 20 MHz
    • Interval de mesura d’impedància 0.01 Ω ... 1014 Ω
    • Interval de mesura de capacitat 10-15 F ... 1 F
    • Precisió de la fase (mínim) 0.002 º
    • Precisió del factor de pèrdues (mínim) 0.00003
    • Interval d’estímul de voltatge ac  1 mV ... 3 Vrms.
    • Interval de voltatge de continua dc -40 VDC ... +40 VDC
    • Possibilitat de mesura d’harmònics superiors
    • Modes de mesura:  auto ranging, auto reference, fixed reference
    • Connexions de calibratge disponibles en diferents modes i possibilitat de diagnòstic automàtic.
    • Connexions d’entrada: BNC, 3 terminals 
    • Display numèric amb informació del status de mesurament 
    • Interface: compatible con estàndar GPIB / IEEE488 
    • Software disponible para adquisició automàtica i presentació de dades
       
  • Sistema d’'emplaçament de la mostra i  control de temperatura
    • Sistema de control de temperatura d’alta precisió amb criòstat  
    • Interval de temperatura -160- 400 °C 
    • Rampes  de temperatura des de  0.01- 30 °C/min 
    • 0.01°C d’estabilitat en la temperatura 
    • Baix consumo de nitrogen (típicament) 1 l/hr a T> -100 °C 
    • Desplaçament de la temperatura després d’assolir l’estabilització (típicament) < 0.2 °C 
    • Temps d’estabilització típics < 8 minuts (para 0.1 °C d’estabilitat) 
    • Autoajust dels paràmetres de control 
    • Microprocessador de control con ADC de 16 bit i port de comunicació GPIB 
    • Criòstat i línea de nitrogen aïllats en buit
    • Joc d’elèctrodes d’or per a portamostres de diferents diàmetres i per a mesura de mostres líquides
       
  • Accessoris
    • Vas Dewar de 100 L con vaporitzador
    • Mòdul d’escalfament de gasos
    • Bomba de buit i controlador de buit digital
    • Línees de connexió de buit i cables elèctrics
    • Ordenador amb interfaz GPIB, monitor, impressora làser, software de control i ajustament

Normativa Funcionament (PDF)

Coordinadora científica

Dra.Gladys Mínguez Vega
Professora Titular Òptica
Departament de Física
Tel.: 964 728051
e-mail: gminguez@fca.uji.es

Personal tècnic

Pere Clemente Pesudo

Adreça electrònica: pclement@sg.uji.es    
 

Tarifes

Imprès sol·licitud 

Informació proporcionada per: Servei Central d'Instrumentació Científica