ピコ秒超音波

ピコ秒超音波は、超短光パルスによって生成される超高周波超音波を使用する超音波の一種です。これは非破壊技術であり、ピコ秒音響パルスが薄膜またはナノ構造に浸透して、膜厚、亀裂、剥離、空隙などの内部特性を明らかにします。また、液体の調査にも使用できます。この技術は、ピコ秒レーザー超音波またはレーザーピコ秒音響とも呼ばれます。

ポンプパルスと呼ばれる超短光パルスが基板上の薄い不透明フィルムに集中すると、光吸収によって熱膨張が生じ、弾性歪みパルスが発生します。この歪みパルスは主に縦方向の音響フォノンで構成され、コヒーレントパルスとしてフィルム内に直接伝播します。

フィルムと基板の界面からの音響反射後、歪みパルスはフィルム表面に戻り、そこで光反射率または（十分に薄いフィルムの場合）透過率の変化を介して遅延光プローブパルスによって検出されます。コヒーレントピコ秒音響フォノンパルスの生成と光弾性検出のためのこの時間分解法は、 1984年にブラウン大学とベル研究所の共同研究でクリスチャン・トムセンと同僚によって提案されました。 ^[1]

最初の開発は、1980年代後半にブラウン大学のハンフリー・マリス氏のグループなどで行われました。 ^{[2] [3] 1990年代初頭には、}日本製鉄 でこの方法の範囲が拡張され、戻りひずみパルスによって引き起こされるフィルムのピコ秒表面振動を直接検出できるようになり、多くの場合、検出感度が向上しました。^[4] 2000年以降の進歩には、ミリメートルの伝搬距離を使用したピコ秒音響ソリトンの生成[ ^5]や、異方性材料の使用または小さな（約1μm）光スポットサイズを使用したピコ秒横波の生成などがあります。^[7]固体ではテラヘルツ領域まで^{[8] [9] 、液体では約10GHz}までの音響周波数が報告されています。

熱膨張以外にも、変形ポテンシャルや圧電性による生成も 可能です。ピコ秒超音波は現在、サブマイクロメートルの厚さのフィルムをナノメートルの解像度で深く探査するための薄膜計測技術として使用され、半導体処理業界で広く使用されています。ピコ秒超音波は、ナノ材料内の音速の測定やフォノン物理学の研究にも応用されています。

入射光ポンプパルスの吸収により、サンプルの表面近くに局所的な熱応力が発生します。この応力により弾性ひずみパルスが発生し、サンプル内に伝播します。応力発生の正確な深さは、特に関係する材料と光ポンプ波長に依存します。たとえば金属や半導体では、超短時間スケールの熱拡散とキャリア拡散により、最初の約 1 ps 以内に最初に加熱される深さが増加する傾向があります。^{[2] [11] [12] [13]}

音響パルスは、この最初に加熱された深さを横切る音響伝播時間とほぼ等しい持続時間で生成され、一般に光吸収深度よりも深くなります。たとえば、Al と GaAs の光吸収深度は青色光で約 10 nm ですが、電子拡散深度はそれぞれ約 50 nm と 100 nm です。拡散深度によって、厚さ方向のひずみパルスの空間範囲が決まります。

金属の主な発生メカニズムは熱膨張ですが、半導体の場合は変形電位メカニズムであることが多いです。圧電材料では、電荷分離によって誘発される内部電界の生成から生じる逆圧電効果が支配的になることがあります。

弾性等方性で平坦なサンプルの表面における 光スポット径D（例えばD約 10 μm）が、最初に加熱された深さよりもはるかに大きい場合、ひずみ伝播深さが大きすぎないことを条件に（約D ²/Λ =レイリー長、Λ は音響波長） 、固体に伝播する音響場を 1 次元問題で近似することができます。この構成（もともとピコ秒超音波用に提案されたもの）では、縦方向の音響ひずみパルスのみを考慮する必要があります。ひずみパルスは、表面から固体に直接伝播する縦方向のひずみのパンケーキ状の領域を形成します。

光回折限界に近い小さなスポットサイズ、例えばD約1μmの場合、問題の3次元的性質を考慮する必要があるかもしれません。この場合、表面と界面での音響モード変換と音響回折^[14]が重要な役割を果たし、せん断偏光と縦偏光の両方が関与することになります。ひずみパルスは異なる偏光成分に分離し、サンプルに伝わるにつれて横方向に広がり（距離> D² /Λ）、より複雑な3次元のひずみ分布をもたらします。

弾性定数や音速を測定するには、せん断波と縦波の両方を使用するのが有利です。せん断波は、結晶軸に対して斜めに切断された弾性異方性固体を使用することで生成することもできます。これにより、厚さ方向に大きな振幅を持つせん断波または準せん断波を生成できます。

伝播しても形状が変化しない歪みパルスを生成することも可能である。これらのいわゆる音響ソリトンは、低温で数ミリメートルの伝播距離で実証されている。^{[5]これらは音響}分散と非線形 効果 の微妙なバランスから生じる。

埋没した界面または他の表面下の音響的に不均一な領域から表面に戻るひずみパルスは、一連のエコーとして検出されます。たとえば、薄膜を前後に伝播するひずみパルスは、減衰する一連のエコーを生成し、そこから特に、膜厚、超音波減衰、または超音波分散を導き出すことができます。

ピコ秒超音波で使用される本来の検出メカニズムは、光弾性効果に基づいています。固体の表面付近の屈折率と消衰係数は、戻ってくるひずみパルス (プローブ光の光吸収深度内) によって乱され、光反射率または透過率が変化します。測定される時間的エコー形状は、プローブ光の光吸収プロファイルとひずみパルスの空間プロファイルの両方を含む空間積分から生じます (以下を参照)。

光位相の変化を記録すれば、表面変位の検出も可能です。この場合、光位相の変化を通して測定されたエコーの形状は、ひずみ分布の空間積分に比例します（下記参照）。表面変位の検出は、超高速光ビーム偏向と干渉法で実証されています。^{[15] [16]}

真空中の均質等方性サンプルに対して垂直光入射の場合、光振幅反射率（r）変調は次のように表される^{[2] [17]}

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

ここで、 （nは屈折率、κは消衰係数）はサンプル中のプローブ光の複素屈折率、kは真空中のプローブ光の波数、η（z、t）は時空間縦方向ひずみ変化、は光弾性定数、zはサンプル内の深さ、tは時間、uはサンプルの表面変位（+ z方向）です。 ${\displaystyle {\チルダ {n}}=n+i\kappa }$${\displaystyle d{\チルダ {n}}/d\eta }$

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

強度Rに対する光反射率の変化を取得するにはを使用し、光位相の変化を取得するには を使用します。 ${\displaystyle \delta R/R=2{\rm {{Re}({\it {{\delta r/r})}}}}$${\displaystyle \delta {\it {{\phi }={\rm {{Im}({\it {{\delta r/r})}}}}}}$

多層サンプルにおける光検出の理論は、界面運動と光弾性効果の両方を含めて、現在では十分に発達している。^{[16] [18]}プローブ光の偏光状態と入射角の制御は、せん断音波の検出に有効であることが実証されている。^{[6] [19]}

ピコ秒超音波は固体と液体の両方のさまざまな材料の分析に効果的に適用されてきました。サブミクロンのフィルム、多層膜、量子井戸、半導体ヘテロ構造、ナノキャビティなどのナノ構造への適用が進んでいます。また、単一の生物細胞の機械的特性を調べるためにも適用されています。^{[20] [21]}

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