Rezonanční ultrazvuková spektroskopie (RUS)
Laserová experimentální technika umožňující bezkontaktní určení elastických vlastností materiálů na základě měření rezonančních spekter volných elastických kmitů milimetrových vzorků. Elastické koeficienty jsou získány pomocí inverzní procedury, která využívá iterativní minimalizaci rozdílu mezi naměřeným rezonančním spektrem a rezonančním spektrem vypočteným z materiálových vlastností studovaných vzorků. Dále je možno z parametrů rezonančních píků určit vnitřní tření v materiálu.
Elastické vibrace vzorků jsou generovány pulzním laserem, jehož svazek je fokusován na spodní stranu vzorku, a detekovány pomocí laserového vibrometru na horní stěně vzorku. Rezonanční spektra jsou typicky zaznamenávána v rozsahu frekvencí od 0.1 do 5 MHz. V současné době jsou v laboratoři k dispozici tři různé sestavy RUS, lišící se dosažitelným intervalem teplot.
Obr. A
V první sestavě RUS (obr. A) je ohřev/chlazení v intervalu teplot od -40 °C do 120 °C zprostředkováno kaskádou Peltierových článků. Vzorek je vybuzen pulzním infračerveným laserem Quantel ULTRA Nd:YAG a vibrace jsou měřeny laserovým vibrometrem Polytec Micro System Analyzer MSA-600. Ten umožňuje skenování povrchu kmitajícího vzorku v rámci stovek předdefinovaných bodů, díky čemuž jsou pro každou rezonanční frekvenci určeny i modální tvary. Lze tedy jednoznačně spárovat naměřená a vypočtená rezonanční spektra a určit tak elastické koeficienty s velkou přesností.
Obr. B
Obr. C
V dalších dvou aparaturách RUS jsou vibrace vzorků generovány pulsním laserem CryLaS DSS 1064-3000 a detekovány v jednom bodě pomocí vibrometrického systému Polytec OFV. Nízkoteplotní aparatura (obr. B), využívající kryostat Oxford Instruments Optistat CF2, je chlazena kapalným dusíkem a umožňuje tak měřit v rozsahu teplot od -190 °C do 30 °C. Vysokoteplotní aparatura (obr. C) naopak umožňuje měřit od pokojových teplot až do 750 °C.
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.
