שיטות חדשניות למדידת המשתנים של אינדקס המקרר באמצעות טכניקות אופטיקה פיזיקליות

מבוא

המדד השביר הוא אחד המאפיינים האופטיים הבסיסיים ביותר של החומר, השולט במהירות האור ובכיפוף שלו בממשקים. Measuring לא רק את האינדקס השביר ביותר, אלא גם את הריאציות המרחביות שלו - בין אם בשל הלחץ, קידודי הרכב, טמפרטורה או הומוגניות מבניות - חיוני עבור יישומים מדעיים ותעשייתיים רבים.

עקרונות היסוד של מדד המקרר

(ב) [ה]המדד ה-FLT:0] ,(ה) [המדד] של המדיום] מוגדר כיחס למהירות האור בוואקום למהירותו באותו אמצעי, כאשר אור חוצה גבול בין שני אמצעי תקשורת, חוק Snell מתאר את היחסים בין זווית הדחיסות וההיקף הדינמית של ה-DValphnF {\displaystyle Rephederation: 2, או RephedernF} LT.

שיטות מדידה מסורתיות ומגבלות

Refractometry

ה- Abbe Refractometer וגרסאותיה מסתמכות על שיטת הזווית הקריטית: מדגם במגע עם prise של אינדקס השבירה הידוע מואר, ואת זווית ההשתקפות הפנימית הכוללת נמדדת.בעוד פשוטה וחזקה, Abbe refractometry מציעה רק מדידה חד-פעמית אחת של נקודה אחת והוא רגיש לאיכות פני השטח והטמפרטורה.זה לא יכול לפתור שינויים מרחביים בתוך הדגימה.

אינטרפרומטריה

מדרומיאלים קלאסיים (שלמיסון, מאך-Zehnder, Twyman-Green) משווים את גל ה-Gatefront המועבר דרך או משתקף מהדגימה עם גל הפניה (Finge Analysis מניב את ההבדל האופטי, שממנו ניתן להסיק את השלב ומכאן ניתן להסיק מדד השבירה (Ricreactive Index) אלא אם כן ניתן להשיג דיוק גבוה (λ/100 או טוב יותר) אבל דורש בידוד קפדני ובדרך כלל מוגבל לדגימות שקופות עם מפוזה נמוכה, היא לעתים קרובות, כלומר, כלומר, כלומר, מיפוי מיקרוסקופי, היא פשוטה, היא פשוטה, היא פשוטה, אם כן, היא בדיקת הדמיה של מיפוי מיקרוסקופית, היא פשוטה, אם כן, היא פשוטה, אם כן, היא פשוטה, אם כן, היא פשוטה, אם כן, אם כן, אם כן, אם כן, היא פשוטה, אם כן, היא פשוטה, היא בדיקת הדמיה של מיפוי מיקרוסקופית דימות מיפוי אופטית, אם כן, היא פשוטה, אם כן, היא פשוטה, אם כן, היא פשוטה, היא פשוטה, אם כן, היא פשוטה, היא פשוטה, אם כן, היא פשוטה, היא פשוטה, היא פשוטה, היא פשוטה, אם כן, אם כן, אם כן, אם

אליפסומטריה

אליפסומטריה מודדת את השינוי במצב הקלקליזציה של אור שמשתקף משטח.זה רגיש מאוד לסרטים דקים (עובי אורכו של אורכו) ויכולה לקבוע הן מדד השביר והן עובי בו זמנית.עם זאת, היא דורשת מודל לפרשנות נתונים והוא בדרך כלל מוגבל למשטחי תכנון; היא לא יכולה בקלות למפות וריאציות מאוחרות יותר בתוך רוב החומר.

הגבלות נפוצות

כל השיטות המסורתיות להתמודד עם עצירות בין רגישות, פתרון מרחבי, מהירות, דרישות מדגם.בסיס איכות, פיזור מרובים, ואת הצורך סריקה מכנית לעתים קרובות להפריע את האופי של דגימות heterogeneous, גס או דינמי. ליקויים אלה הניעו את הפיתוח של טכניקות אופטיות מתקדמות אשר מנצלים אינטראקציות אור עדינות יותר.

טכניקות אופטיקה פיזיות לאינדקס סרבריבי High-Resolution Mapping

הולוגוגרפיה הדיגיטלית

הולוגוגרפיה הדיגיטלית (DH) מתעדת את השדה האופטי המורכב המלא – הן amplitude והן שלב – על ידי לכידת דפוס ההתערבות בין קרן ההתייחסות והאור מפוזר או מועבר על ידי הדגימה. חיישן דיגיטלי (למשל, CMOS או CCD) מתעד את הולוגרמה, ואלגוריתם שחזור מספרי של DHERRUM יכול להשיג את הגל הקדמי.

(ב) ⁇ :0) דימות שדה מלא: 1FLT 1 לא נדרש סריקה - כל שדה הראייה נלכד בנורה אחת (או כמה יריות ממותנת בשלב זה).
(FLT:0) הדמיה שלב חשבונאית:FLT:1 ניב ישירות את המוצר של אינדקס השבירה ועובי, המאפשר מיצוי של וריאציות אינדקס כאשר עובי ידוע או ניתן להעריך.
(FLT:0) המדידה הדינמית: FLT:1, מצלמות מהירות גבוהה מאפשרות התבוננות בזמן אמת של תאים חיים, זרימה נוזלית, או ממשקים חומריים מתפתחים.

הולוגוגרפיה הדיגיטלית הוחלה במידה רבה על מנת למדוד את הקידודים של מדד השבירה בערוצי מיקרו-השפעה, תערובת פולימר ותאים ביולוגיים, עם ספירות מדווחות עד 10uaFLT:0-4FLT:1 RIU (יחידות אינדקסים פריאקטיביים) התפתחויות אחרונות ב-Refractive DHs מאפשרות רכישת וידאו ללא העברת חלקים: FLT2A מקיפה של סקירות דיגיטליות (ROROactive Index for Retratic Index for repological Retratic Index) לשנת 2014).

קוהרנטיות אופטית Tomography (OCT)

טומוגרפיה קופטית משתמשת בפרשת קוהרנטיות נמוכה כדי לייצר תמונות תלת-ממדיות של מבנים פנימיים. in OCT, מקור אור פס רחב מחולק לזרועות מדגם ופניות; האור המוקף או backscattered מן הדגימה מפריעה עם ההבדל רק כאשר אורך אופטי תואם בתוך אורך קוהרנטיות (ply 1-15 μm).

OCT הוא חזק במיוחד עבור רקמות ביולוגיות הדמיה (למשל, הרשתית, עור, קירות אמנותיים) שבו אינדקס השבירה הומוגניות נובעים מבני תאים, סיבים קולגן, או פיקדונות שומנים.הטכניקה מציעה פתרון בקנה מידה זעיר בשלושה ממדים עם דימות עד 1-2 מ"מ בפיזור מדיה.

(ב) מיפוי של פשטות (ב"ב) על מיפוי דו-פרפרנציות.
(ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
(ב) ,0) ,Spectroscopic OCTFLT:1 כדי לחלץ וריאציות תלויות גל.

רגישותו של OCT לגוון אינדקס השבירה היא בדרך כלל בטווח של 10ua 10FLT:0-303033033FLT:1-10IRFLT:2 - 403FLT 3 RIU, בהתאם למערכת וליחס אות-לכאורה.

שלב-שיקוף אינטרפרומטריה (PSI)

(שלב שינוי ההפרעה הוא גרסה של אינטרפרומטריה קלאסית שבה שלב ההתייחסות הוא מגוון של צעד חכם באופן מבוקר (בדרך כלל 3-5 שלבים) על ידי הקלטת תבניות אינטנסיביות בכל שלב שינוי וליישם אלגוריתם (למשל, Carre, Hariharan), המפה בשלב זה הוא קידוד עם דיוק גבוה, עצמאי של וריאציות אינטנסיביות.

המונחים: Speckle Interferometry

כאשר אור קוהרנטי מתפזר משטח גס או בינוני הומוגני, הוא יוצר דפוס ספירה - דפוס התערבות גרניט המקודש מידע על התפלגות אורך הדרך האופטית. Speckle interferometry, כולל דפוס ספירה אלקטרוני מזהה חומרים חד-פעמיים (ESPI) ו Shearography, את השינוי בדפוסי ספירה על ידי שינוי פיזור או תיקון מחדש על ידי פיזור תבניות מהירות.

Surface Plasmon Resonance (SPR) ו-Plasmonic Sensing

(התקני ננומון חוזרים על פני השטח מתרחשים כאשר חומר אור מקוטב של אלקטרון קולקטיבים oscillations בממשק מתכת-דיאלקטרי, יצירת dip חד בעוצמתה המחודשת (מצב ההחזרות רגיש מאוד לאינדקס השביר של ה-DouFVic) של ה-Douicial Index (עם חיישנים SPR) יכול לזהות שינויים השבויים כ- 10LTRE:2 מקודמים מתקדמים).

קרוב ל-Field Scanning Optical Microscopy (NSOM)

NSOM, הידוע גם בשם SNOM, מתגבר על הגבלת ההיקף על ידי שימוש בצמצם אורכי משנה או פיזור טיפ כדי לחקור את השדה האופטי ליד. על ידי raster לסרוק את קצה המדגם וגילוי האור המועבר או משתקף אור, NSOM יכול במקביל למפות את ה-Creditual Index-Ricing עם פתרון מרחבי למטה - 50m-רגיש בשלב NSO (Mreative) באמצעות תוכנת זיהוי גבישית) ו-Ricericial HD, באמצעות , הוא דורש באופן קבוע, כלומר, הוא מספק גישה משולבת, ו-Ricial Index.

שיפורים ולמידה של מכונות

נפח הנתונים שנוצר על ידי טכניקות אופטיות פיזיות מודרניות - במיוחד בדמיית שדה מלאה או טומוגרפיה - דרישה לעיבוד מתוחכם. Machine Learning (ML) התפתח ככלי רב עוצמה לשיפור דיוק מדידה, מהירות ועוצמה:

(FLT:0) שלבאז ללא גינוי: FLT:1 רשתות עצביות עמוקות (למשל, אדריכלות מבוססת UNet) יכולות לפתור את האווירה בשלב במפות שלב עטוף, אפילו בנוכחות רעש או הפסקות.
(FLT:0) קביעת ורזולוציה סופר-מחדשת: ייצוב רשתות עצביות קונבנציונאליות שהוכשרו על גבי הולוגרמות באיכות גבוהה או תמונות OCT יכול לשפר את יחס האות-לכאורה להגדיל את ההחלטה המרחבית מעבר למגבלת התפוצה.
(FLT:0) פיזור הפוך: 1FLT) שיטות למידה של קטורטיבי יכול לשחזר התפלגות אינדקס השבירה מפיזור דפוסים, תוך עקיפה את הצורך במודלים מתקדמים.
(FLT:0) פרמטר פרמטר פרמטר פרמטרי: FLT:1 ML מסווגים יכולים לזהות אזורים של עניין ו לכמת ⁇ אינדקס ברקעים מורכבים, מאיץ חומרים אפיון.

גישות חישוביות אלה הופכות לאינדקס השביר מיפוי נגיש ואמין יותר, במיוחד עבור יישומים בזמן אמת בשליטה איכותית ודמיית תאים חיים.

יישומים במדעי החומרים וביוטכנולוגיה

חומרים מדע

וריאציות של אינדקס רפלקאקטיביות בחומרים מוצקים לעתים קרובות מצביעות על מבנים של הומוגניות, ריכוזי מתח, או מעברי שלב.טכניקות אופטיות פיזיות משמשות:

תכונות ⁇ -index עדשות וסיבים אופטיים, להבטיח שליטה מדויקת של פרופיל האינדקס.
מעקב אחר תהליכי היתוך ומיזוג בזמן אמת.
פגמים בקרמיקה שקופה, משקפיים וחומרי גביש.
מחקר גבישים נוזליים ודפוסי אוריינטציה שלהם על ידי מיפוי דו-פראנס ואינדקס השבירה בו-זמנית.

Biomedicine

בדגימות ביולוגיות, מדד השבירה קשור הדוק לריכוז חלבון, צפיפות של איברים סלולריים, וייבוש רקמות. הדמיה שלב קוונטית באמצעות הולוגוגרפיה הדיגיטלית או OCT אפשרה:

הדמיה ללא תווית של תאים חיים, הבחנה סוגים שונים של תאים ו ניטור תגובות סמים.
ממפה של רקמת refractive Index כדי לזהות אזורים סרטניים, שבו צפיפות גרעינית מוגברת מגבירה את הפיזור ואת הניגודיות של אינדקס.
שחזור תלת-ממדי של עוברים של דגים זברה ואורגניזמים אחרים של מודלים כדי ללמוד התפתחות.
זרימת דם ומדידות חמצן באמצעות Doppler ו-spectroscopic OCT.

יישומים אלה מפגינים את הגמישות של שיטות אופטיות פיזיות לספק מידע מבני ופונקציונלי שאינו פולשני.

כיוונים עתידיים ומגמות מתפתחות

התחום ממשיך להתפתח במהירות, עם כמה כיוונים מבטיחים:

(FLT:0) חיישנים מהונדסים: Embeddial-Alimted: ibph:1 ; Hyperbolic metamaterials ו גבישים פוטוניים יכולים לשפר את האינטראקציה בין אור לחומר, להגביר את הרגישות לשינויים באינדקס השביר על ידי פקודות של גודל.
(FLT:0) Quantum-enhanced מדידות: ibph:1 (שימוש בזוגות פוטושופיים מסובכים או מצבים דחוסים, אינטרפרומטריה קוונטית יכולה לעלות על הגבול הקוונטי הסטנדרטי, המציעה רגישות רבה יותר בשלב למיפוי אינדקס.
(FLT:0) אינטגרציה:FLT:1ringsonators מיקרו-ring, מאך-Zehnder interferometers, ומדריכי גל פוטוניים הם מונים עבור חיישני אינדקס ניידים, נקודה של טיפול חוזר.
(FLT:0) הדמיה בינונית: FVERFIRLT:1) שילוב מיפוי אינדקס השבירה עם מנגנונים מנוגדים אחרים (השפעה, ראמן, ספיגה) לספק מידע כימי ופיזי משלים.
(FLT:0) אופטיקה אדפטיבית: FLT:1 תיקון עבור אמברגים מומרים מדגם בזמן אמת משפר את ההחלטה והדיוק בהדמיית רקמות עמוקה.

מגמות אלה מבטיחות לדחוף את גבולות הרגישות, המהירות, ואת הכדאיות, המאפשרות וריאציות מחדש של אינדקסים השבירה להימדד בסביבות שהיו בעבר בלתי נגישים.

מסקנה

ניתוח מחדש של וריאציות אינדקס תגובתיות עם דיוק גבוה ורזולוציה מרחבית הוא אתגר כי טכניקות קלאסיות לבד לא יכול לענות באופן מלא. שיטות אופטיות פיזיות - הולוגוגרפיה דיגיטלית, קוהרנטיות אופטית, אינטרפרומטריה מובנת של שלב, ספירת חומרים אופטיים, כמו חומרים חזותיים, להמשיך חומרים אופטיים מורכבים, ומיקרוסקופיים ליד שדה - כדי למנוע את התופעות הבסיסיות של גל אופטיקה כדי להתגבר על שיטות מחקריות מורכבות, כמו שיטות מחקריות ואפקטיביות מתקדמות.