光熱分光法

光熱分光法は、サンプルの光吸収と熱特性を測定するために使用される高感度分光法のグループです。光熱分光法の基礎は、放射線の吸収によって生じるサンプルの熱状態の変化です。吸収され、放出によって失われない光は加熱をもたらします。熱によって温度が上昇し、サンプルまたはそれに隣接する適切な材料の熱力学的特性に影響を与えます。光吸収によって生じる温度、圧力、または密度の変化を測定することが、最終的に光熱分光測定の基礎となります。

光音響分光法と同様に、光熱分光法は、吸収に関与する光の直接測定に基づいていないため、光吸収を測定する間接的な方法です。ただし、別の意味では、光熱 (および光音響) 法は、より一般的な (透過) 分光技術の場合のように透過率から計算するのではなく、吸収を直接測定します。この事実がこの技術に高い感度を与えています。透過技術では、吸光度はサンプルに当たる全光と透過光(プラス反射光、プラス散乱光) の差として計算されるため、吸収が小さい場合に大きな数値間の小さな差を扱うと、通常、精度の問題が発生するからです。一方、光熱分光法では、信号は基本的に吸収に比例し、反射や散乱があっても、 真の吸収がゼロの場合はゼロになります。

光熱分光法では、いくつかの方法と技術が使用されます。これらにはそれぞれ、測定される特定の物理的効果を示す名前が付けられています。

• 光熱レンズ分光法 (PTS または TLS) は、光線が透明なサンプルを加熱したときに発生する熱ブルーミングを測定します。通常、均質なガスおよび液体溶液中の微量物質を測定するために使用されます。
• 光熱偏向分光法 (PDS) は、ミラージュ効果とも呼ばれ、光吸収による光の屈折を測定します。この技術は、表面吸収の測定や層状材料の熱特性のプロファイリングに特に役立ちます。
• 四波混合の一種である光熱回折は、コヒーレント レーザーを使用してサンプルに「書き込まれた」過渡回折格子の効果を監視します。これは、リアルタイムホログラフィーの一種です。
• 光熱放射は、吸収の結果として生じるサンプルの赤外線 放射の増加を測定します。サンプルの放射は、ステファンの熱放射の法則に従います。この方法は、固体および層状物質の熱特性を測定するために使用されます。
• 光熱単一粒子顕微鏡法。この技術は、イメージングおよび相関分光法のための球対称熱レンズを作成することにより、単一の吸収ナノ粒子の検出を可能にします。

光熱偏向分光法は、光による媒体の加熱による屈折率の変化を測定する分光法の一種です。これは、試験サンプルの表面付近に屈折率勾配が存在する「蜃気楼効果」^[1]の一種を介して 機能します。プローブ レーザー ビームは、表面付近の透明媒体の温度勾配に比例して屈折または曲げられます。この偏向から、吸収された励起放射の測定値を決定できます。この手法は、吸収が起こっているかどうかを高感度で測定できるため、光学的に薄いサンプルを研究する場合に便利です。これは、「通過」または透過分光法を使用できない状況で役立ちます。^{[引用が必要]}

PDS には、共線型と横方向型の 2 つの主な形式があります。共線型 PDS は、AC Boccara、D. Fournier らによる 1980 年の論文で紹介されました。^[2]共線型では、2 本のビームが媒体を通過して交差します。ポンプ ビームが材料を加熱し、プローブ ビームが偏向します。この手法は透明な媒体にのみ有効です。横方向では、ポンプ ビームが表面に対して垂直に加熱され、プローブ ビームが平行に通過します。このバリエーションでは、プローブ ビームが表面で反射し、加熱による座屈を測定することがあります。横方向 PDS は窒素中で実行できますが、液体セルを使用するとパフォーマンスが向上します。通常は、パーフルオロカーボンなどの不活性で非吸収性の材料が使用されます。^[要出典]

共線型および横断型 PDS では、機械式チョッパーを通過する光ビームや関数発生器で調整される光ビームなど、周期的に変調される光源を使用して表面を加熱します。次に、ロックイン アンプを使用して、変調周波数で検出された偏向を測定します。別の方式では、励起源としてパルス レーザーを使用します。その場合、ボックスカー平均を使用して、励起放射に対するプローブ ビームの時間的偏向を測定できます。信号は周波数の関数として指数関数的に減少するため、1 ～ 10 ヘルツ付近の周波数がよく使用されます。PDS システムの完全な理論分析は、1981 年に Jackson、Amer らによって発表されました。^[3]同じ論文では、PDS を顕微鏡法の一種として使用することについても説明されており、これは「光熱偏向顕微鏡法」と呼ばれ、不純物や材料の表面トポロジーに関する情報を得ることができます。^[3]

薄膜のPDS分析は、導波モード共鳴やウィスパリングギャラリーモードなどの光共鳴をサポートするパターン化された基板を使用して実行することもできます。プローブビームは共振モードに結合され、結合効率は入射角に非常に敏感です。光加熱効果により、結合効率が変化し、薄膜の吸収を示すように特徴付けられます。^[4]

• 光熱効果
• 光熱顕微分光法
• 光熱光学顕微鏡
• アーバッハエネルギー

• JA セル固体と流体の光熱調査アカデミック プレス、ニューヨーク1989
• DP アーモンドと PM パテル光熱科学と技術チャップマン＆ホール、ロンドン1996
• SE Bialkowski化学分析のための光熱分光法John Wiley、ニューヨーク1996

• 光熱分光法および関連分光法における量、用語、記号（IUPAC 勧告 2004）
• オンライン版 Stephen E. Bialkowski 著「化学分析のための光熱分光法」第 1 章 John Wiley、ニューヨーク 1996