Review of Scientific Instruments

A polarized light interferometer, suitable for the high-speed photography of microscopic objects in laser fusion experiments, is described. Based on a Wollaston prism as beam splitter, its main advantages are its relative simplicity, the absence of alignment and stability problems, and the extended spectral range down to 0.18 μm wavelength. The interferometer has been successfully applied in CO2 and neodymium laser plasma interaction studies with laser illumination at 0.694 μm (ruby laser) and 0.265 μm (4th harmonic of the Nd3+ laser) wavelength.

Kể từ cuối những năm 1980, đã có những phát triển ấn tượng trong các hệ thống vi cơ học hoặc vi điện tử cơ học (MEMS) cho phép khám phá các chế độ chuyển đổi liên quan đến năng lượng cơ học và chủ yếu dựa vào các hiện tượng cơ học. Kết quả là, một gia đình cảm biến hóa học và sinh học đổi mới đã xuất hiện. Trong bài viết này, chúng tôi thảo luận về các cảm biến có bộ chuyển đổi dưới dạng thanh cantilever. Mặc dù MEMS đại diện cho một gia đình thiết kế đa dạng, nhưng các thiết bị với cấu hình cantilever đơn giản đặc biệt hấp dẫn như là bộ chuyển đổi cho các cảm biến hóa học và sinh học. Bài tổng quan này đề cập đến bốn khía cạnh quan trọng của bộ chuyển đổi cantilever: (i) nguyên tắc hoạt động và mô hình; (ii) vi chế tạo; (iii) chỉ số merit; và (iv) ứng dụng của cảm biến cantilever. Chúng tôi cũng cung cấp một phân tích ngắn gọn về các tiền thân lịch sử của các cảm biến cantilever hiện đại.

Thuyết chung về kỹ thuật nguồn phẳng tạm thời (TPS) được trình bày chi tiết với những xấp xỉ cho hai cấu hình thí nghiệm có thể được gọi là ‘‘hình vuông nóng’’ và ‘‘đĩa nóng.’’ Các sắp xếp thí nghiệm và các phép đo trên hai vật liệu, Cecorite 130P và Corning 9606 Pyroceram, sử dụng cấu hình đĩa nóng, được báo cáo và đánh giá.

Các hệ thống nano điện cơ (NEMS) đang thu hút sự quan tâm từ cả hai cộng đồng kỹ thuật và khoa học. Đây là các hệ thống điện cơ, tương tự như các hệ thống micro điện cơ, chủ yếu hoạt động trong các chế độ cộng hưởng với kích thước ở vi mô sâu. Trong lĩnh vực kích thước này, chúng có tần số cộng hưởng cơ bản cực kỳ cao, khối lượng hoạt động bị giảm thiểu, và hằng số lực có thể chấp nhận được; các hệ số chất lượng (Q) của cộng hưởng nằm trong khoảng Q∼103–105—cao hơn đáng kể so với các mạch điện cộng hưởng. Những đặc điểm này phối hợp lại khiến NEMS phù hợp với nhiều ứng dụng công nghệ như cảm biến siêu nhanh, bộ truyền động và các thành phần xử lý tín hiệu. Về mặt thực nghiệm, NEMS được kỳ vọng sẽ mở ra các cuộc điều tra về quy trình cơ học do phonon điều khiển và hành vi lượng tử của các hệ thống cơ học mesoscopic. Tuy nhiên, vẫn còn tồn tại những thách thức cơ bản và công nghệ đối với việc tối ưu hóa NEMS. Trong bài đánh giá này, chúng tôi sẽ cung cấp một cái nhìn tổng quan về NEMS bằng cách thảo luận về triển vọng và thách thức trong lĩnh vực đang phát triển nhanh chóng này và phác thảo một ứng dụng mới nổi thú vị, đó là phát hiện khối lượng nano điện cơ.

Chúng tôi đã phát triển một kỹ thuật cho phép thực hiện các phép đo hấp thụ quang học bằng cách sử dụng nguồn sáng xung và cung cấp độ nhạy lớn hơn đáng kể so với mức đạt được bằng cách sử dụng các nguồn sáng liên tục đã được ổn định. Kỹ thuật này dựa trên việc đo lường tỷ lệ hấp thụ thay vì độ lớn của sự hấp thụ của một xung ánh sáng bị giới hạn trong một khoang quang. Sự suy giảm cường độ ánh sáng trong khoang là một hàm mũ đơn giản với các thành phần tổn thất do tổn thất gương, tán xạ băng thông rộng (Rayleigh, Mie) và hấp thụ phân tử. Các phổ hấp thụ băng hẹp được ghi lại bằng cách quét đầu ra của một laser xung (được đưa vào khoang quang) qua một cộng hưởng hấp thụ. Chúng tôi đã chứng minh độ nhạy của kỹ thuật này bằng cách đo một số dải trong sự chuyển tiếp bị cấm rất yếu b1Σg−X3Σg trong oxy phân tử khí. Tín hiệu hấp thụ ít hơn 1 phần trong 106 có thể được phát hiện.

Việc áp dụng một kỹ thuật biến đổi Fourier mới cho quang phổ resonance từ tính được khám phá. Phương pháp này bao gồm việc áp dụng một chuỗi các xung tần số cao ngắn đến mẫu cần được nghiên cứu và biến đổi Fourier phản hồi của hệ thống. Những ưu điểm chính của kỹ thuật này so với phương pháp quét quang phổ thông thường là thời gian ghi lại quang phổ ngắn hơn nhiều và độ nhạy tự nhiên cao hơn. Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm cho thấy có thể nâng cao độ nhạy của quang phổ resonance từ tính proton phân giải cao trong thời gian hạn chế lên đến gấp mười lần hoặc hơn. Thời gian cần thiết để đạt được độ nhạy tương tự ngắn hơn 100 lần so với các phương pháp truyền thống. Việc nâng cao độ nhạy chủ yếu được xác định bởi căn bậc hai của tỷ lệ giữa chiều rộng đường và chiều rộng tổng của quang phổ. Phương pháp này đặc biệt có lợi cho các quang phổ phân giải cao phức tạp với nhiều cấu trúc tinh vi.

Phương pháp xác định hằng số lò xo của cánh tay lực nguyên tử hình chữ nhật được đề xuất, dựa hoàn toàn vào việc đo tần số cộng hưởng và hệ số chất lượng của cánh tay trong môi trường chất lỏng (thường là không khí), cũng như kiến thức về kích thước mặt phẳng của nó. Phương pháp này mang lại độ chính xác rất cao và cải tiến so với công thức trước đây của Sader và cộng sự [Rev. Sci. Instrum. 66, 3789 (1995)], mà khác với phương pháp hiện tại, yêu cầu kiến thức về cả mật độ và độ dày của cánh tay.

Hình ảnh quang âm (còn được gọi là hình ảnh quang động hoặc hình ảnh nhiệt động) có tiềm năng để hình ảnh hóa các cơ quan của động vật hoặc con người, như vú và não, với khả năng tương phản cao và độ phân giải không gian cao đồng thời. Bài báo này cung cấp cái nhìn tổng quan về lĩnh vực hình ảnh quang âm đang phát triển nhanh chóng cho các ứng dụng y sinh. Các kỹ thuật hình ảnh, bao gồm định vị độ sâu trong các môi trường lớp, chụp cắt lớp quét với các bộ chuyển đổi siêu âm tập trung, hình thành hình ảnh bằng thấu kính âm học và chụp cắt lớp tính toán với các bộ chuyển đổi không tập trung, được giới thiệu. Đặc biệt chú trọng đến chụp cắt lớp tính toán, bao gồm các thuật toán tái cấu trúc, độ phân giải không gian và các thí nghiệm gần đây liên quan. Các ứng dụng y sinh đầy hứa hẹn được thảo luận xuyên suốt bài viết, bao gồm (1) hình ảnh chụp cắt lớp của da và các cơ quan nông khác bằng kính hiển vi quang âm được tạo ra bởi laser, mang lại các lợi thế then chốt so với các phương pháp hình ảnh quang học độ phân giải cao hiện tại, như độ sâu hình ảnh lớn hơn và độ tương phản hấp thụ cao hơn, (2) phát hiện ung thư vú bằng ánh sáng hồng ngoại gần hoặc hình ảnh quang âm do sóng radio phát sinh, điều này có tiềm năng quan trọng cho phát hiện sớm, và (3) hình ảnh động vật nhỏ bằng hình ảnh quang âm được tạo ra bằng laser, đo lường các độ tương phản hấp thụ quang độc đáo liên quan đến thông tin sinh hóa quan trọng và cung cấp độ phân giải tốt hơn trong các mô sâu hơn so với hình ảnh quang học.

Hình ảnh và các phép đo lực được thực hiện bởi kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) phụ thuộc rất nhiều vào các thuộc tính của lò xo và đầu dò được sử dụng để kiểm tra bề mặt mẫu. Trong bài viết này, chúng tôi mô tả một quy trình đơn giản, không phá hủy để đo hằng số lực, tần số cộng hưởng và yếu tố chất lượng của lò xo cần phẳng AFM, cũng như bán kính hiệu quả của độ cong của đầu dò AFM. Quy trình của chúng tôi sử dụng chính AFM và không yêu cầu thiết bị bổ sung.

Một phương pháp spin echo được điều chỉnh để đo thời gian giải relax hạt nhân dài (T2) trong chất lỏng được mô tả. Chuỗi xung giống như phương pháp được đề xuất bởi Carr và Purcell, nhưng tần số radio (rf) của các xung liên tiếp là đồng pha, và một sự dịch pha 90° được đưa vào trong xung đầu tiên. Các giá trị T2 rất dài có thể được đo mà không có ảnh hưởng đáng kể của sự khuếch tán.