микроскопия акустическая

МИКРОСКОПИЯ АКУСТИЧЕСКАЯ - совокупность методов визуализации микроструктуры и формы малых объектов с помощью УЗ- и гиперзвуковых волн. Она включает в себя также методы измерения локальных характеристик упругих и вязких свойств объекта и их распределений но его поверхности или внутри объёма. M. а. основана на том, что УЗ-волны, прошедшие, отражённые или рассеянные отд. участками объекта, имеют разл. характеристики (амплитуду, фазу и др.) в зависимости от локальных вязкоупругих свойств образца. Эти различия позволяют методами визуализации звуковых полей получать акустич. изображения на экране дисплея. В зависимости от способа преобразования акустич. полей в видимое изображение различают сканирующую лазерную M. а. и сканирующую растровую M. а.

Сканирующая лазерная M. а. представляет собой разновидность голографии акустической, предназначенную для визуализации малых объектов. При облучении плоской УЗ-волной объекта, помещённого в жидкость, фронт волны после прохождения образца искажается из-за неоднородных фазовых задержек, а амплитуда изменяется в соответствии с неоднородностью коэф. отражения и поглощения в объекте. Прошедшая волна падает на свободную поверхность жидкости и создаёт на ней поверхностный рельеф, соответствующий акустич. изображению объекта. Рельеф считывается световым лучом и воспроизводится на экране дисплея.

Рис. 1. Принципиальная схема сканирующего лазерного акустического микроскопа.

Этот метод реализуется в лазерном акустич. микроскопе (рис. 1), где УЗ-пучок, излучаемый преобразователем 1, через звукопровод 2 падает на объект 3, помещённый в иммерсионную жидкость 4, и после прохождения объекта создаёт на границе жидкости рельеф. На поверхность жидкости нанесена полупрозрачная плёнка, к-рая деформируется вместе с поверхностью. Луч лазера 5 с помощью сканирующего устройства 6 и зеркала 7 перемещается по поверхности плёнки, частично отражаясь от неё. Угол отражения a меняется от точки к точке в соответствии с рельефом, создаваемым акустич. волной. Отражённый луч, пройдя зеркало 7 и линзу 8, падает на оптич. нож 9, преобразующий угл. модуляцию в амплитудную, и регистрируется фотоприёмником 10. Видимое акустич. изображение возникает на экране дисплея 11, развёртка к-рого синхронизирована с движением лазерного луча, а яркость управляется сигналом с фотоприёмника. Для сравнения одновременно на другом дисплее 13 получается оптич. изображение объекта за счёт регистрации фотоприёмником 12 прошедшего лазерного луча.

Используемый в сканирующей лазерной M. а. способ визуализации не позволяет получать высокие разрешения. Лазерные акустич. микроскопы работают на частотах вплоть до неск. сотен МГц и дают разрешение до 10 мкм. Одно из достоинств лазерного акустич. микроскопа - возможность одновременно получать оптич. и акустич. изображения и сравнивать их. Для количеств, измерений в лазерной сканирующей M. а. используются те же методы, что и в обычной акустич. голографии, напр, метод интерферограмм.

В сканирующей растровой M. а. сфокусированный УЗ-пучок перемещается по объекту, изображение к-рого воссоздаётся по точкам в виде растра. Фокусиров. волна, падая на образец, частично отражается от объекта, частично поглощается и рассеивается в нём, а частично проходит через него. Принимая ту или иную часть излучения, можно судить об акустич. свойствах образца в области, размеры к-рой определяются размерами фокального пятна. В акустич. микроскопе (рис. 2)пучок плоских УЗ-волн, излучаемых пьезоэлектрич. преобразователем 1, фокусируется акустич. линзой 2, к-рая представляет собой сферич. углубление на границе раздела звукопровода 3 и иммерсионной жидкости 4.

Рис. 2. Принципиальная схема сканирующего акустического микроскопа для режима "на прохождение".

Образец 5 помещается вблизи фокальной плоскости линзы и перемещается параллельно ей по двум осям с помощью механич. сканирующего устройства 6. УЗ-излучение после взаимодействия с объектом собирается приёмной акустич. линзой 7 на приёмном пьезоэлектрич. преобразователе 8. Электрич. сигнал с преобразователя управляет яркостью электронного луча, развёртка к-рого синхронизована с движением образца при его сканировании. В результате на экране дисплея 9 возникает акустич. изображение, к-рое определяется распределением по образцу его физ. свойств (упругости, плотности, вязкости, толщины, анизотропии и ДР).

В зависимости от того, какая часть излучения после взаимодействия с объектом регистрируется, различают акустич. микроскопы "на отражение", "на прохождение", "тёмного поля". Выходной сигнал формируется лишь теми лучами, к-рые проходят через фокус приёмной линзы 7 в иммерсионной жидкости (реальный или мнимый) и соответственно после преломления на её

поверхности падают на преобразователь по нормали. Поэтому для получения изображения в прошедших лучах используется т. н. конфокальная система - пара акустич. линз, фокусы к-рых совмещены, как показано на рис. 2. В режиме "на отражение" одна и та же линза используется как для получения фокусир. пучка, так и для приёма УЗ-волн. Акустич. изображение в режиме "тёмного поля" создаётся лучами, рассеянными объектом; для его получения приёмную линзу в конфокальной системе отклоняют от акустич. оси системы так, чтобы она собирала рассеянные лучи. Ещё один режим работы акустич. микроскопа - нелинейный - можно осуществить, если принимать акустич. излучение не на осн. частоте возбуждаемого звукового пучка, а на её гармониках.

Звукопроводы акустич. линз изготовляются из материалов с высокой скоростью продольных акустич. волн (сапфир кварц и др.), в качестве иммерсионных жидкостей используются вода, жидкий гелий, жидкие металлы (ртуть, галлий и др.), нек-рые органич. жидкости. Показатели преломления h на границах раздела таких сред достигают значит, величины; так, для системы вода - сапфир n = 7,4. Для того чтобы уменьшить потери на поглощение звука в иммерсионной жидкости и улучшить разрешение, используются линзы с малыми радиусами кривизны (вплоть до сотен и десятков микрон для гиперзвуковых частот) и большими углами раскрытия(обычно. Вследствие большой разницы скоростей распространения в звукопроводе и в иммерсионной жидкости аберрации в линзовых системах акустич. микроскопов малы даже при большихСтруктура фокуса определяется дифракц. эффектами, и размеры фокальной области оказываются порядка длины УЗ-волны Разрешение акустич. микроскопа, характеризуемое радиусом фокально-то пятна зависит от частоты, на к-рой микроскоп работает. В диапазоне частот от 50 МГц до 3 ГГц разрешение в акустич. микроскопах, использующих в качестве иммерсии воду (скорость звука, меняется от 20 до 0,5 мкм, конкурируя на высоких частотах с разрешением оптич. микроскопов. Использование в качестве иммерсии сверхтекучего гелия при темп-pax ниже

существенно улучшает разрешение микроскопа: уже на частоте 2 ГГц оно составляет ок. 90 HM.

Контраст акустич. изображений определяется вариациями разл. физ--механич. свойств материала и геом. параметров образца в зависимости от режима работы микроскопа. Режим "на отражение" обычно используется для изучения поверхности и поверхностного слоя у хорошо отражающих твёрдых тел (кристаллов, шлифов минералов и сплавов и др.). При отражении сходящегося пучка с достаточно большим углом раскрытияв жидкости помимо зеркально отражённых лучей распространяются также лучи, возникающие в результате возбуждения падающим пучком на границе раздела вытекающих поверхностных волн и боковых волн (волн в твёрдом теле, распространяющихся вдоль границы раздела и переизлучающихся в жидкость - см. Отражение звука ).В большинстве материалов скорость распространения поперечных акустич. волн заметно больше скорости звука в иммерсионной жидкости, и для них осн. роль играют эффекты, связанные с вытекающими Рэлея волнами, к-рые возбуждаются УЗ-волнами, падающими на границу раздела под т. н. рэлеевским углом где с_R - скорость рэлеевской волны на свободной поверхности образца (рис. 3). При распространении вдоль границы раздела возбужденная волна переизлучается обратно в жидкость пол, углом q_R в виде семейства лучей, исходящих из разл. точек поверхности раздела.

Рис. 3. Ход лучей в сканирующем акустическом микроскопе "на отражение". Поверхность объекта I смещена из фокальной плоскости микроскопа в сторону линзы II. 1' и 1 - падающий и отращённый параксиальные лучи; 2 - луч, падающий на поверхность объекта под рэлеевскнм углом q_R; 2` - луч, зеркально отражённый под углом- луч, переизлучённый под углом в иммерсионную жидкость IV в результате образования вытекающей рэлеевской волны. Сигнал на преобразователе создаётся лучами 1' 2''.

Когда поверхность образца I помещается в фокальную плоскость акустич. линзы II, выходной сигнал на преобразователе III формируется только лучами, зеркально отражёнными от поверхности образца. Акустич. изображение передаёт распределение на поверхности образца коэф. отражения, интегрального по углу падения. Из-за большой разницы волновых сопротивлений образца I и иммерсионной жидкости IV коэф. отражения близок к единице даже при значит, изменениях упругих свойств образца, и контраст акустич. изображений слабый. Для улучшения контраста исследуемую поверхность смещают из фокальной плоскости по направлению к линзе. При её смещении выходное электрич. напряжение V на преобразователе возникает как интерференция сигналов, создаваемых параксиальным отражённым лучом 1' и лучом , переизлучённым вытекающей рэлеевской волной и проходящим через мнимый фокус в иммерсионной жидкости (рис. 3). Акустич. пути, проходимые лучами , различны, и выходное напряжение V при движении объекта вдоль акустич. оси линзы будет меняться периодически, образуя ярко выраженные максимумы и минимумы (рис. 4) при положит, смещениях z (когда объект приближается к линзе). Расстояние между соседними минимумами (максимумами) не зависит от номера минимума, а определяется только величиной скорости рэлеевских волн на поверхности исследуемого материала:

Рис. 4. -характеристика для - кварца Y-среза (а) и сапфира Z-среза (б) с водой в качестве иммерсионной жидкости.

Зависимость F от z определяется акустич. свойствами материала образца, поэтому она получила назв. характеристики материала или его акустич. сигнатуры. Подбором смещения z можно получить высокий акустич. контраст даже при небольших изменениях упругих параметров в образце ценой, однако, уменьшения разрешающей силы микроскопа.

Поскольку в формировании выходного сигнала в микроскопе при работе "на отражение" участвуют вытекающие рэлеевские волны, акустич. изображения передают структуру не только самой поверхности образца, но и приповерхностного слоя, толщина к-рого определяется глубиной проникновения рэлеевской волны в образец.

Благодаря этому с помощью отражательной M. а. можно изучать многослойные плёнки и др. слоистые системы, визуализировать подповерхностные дефекты и микротрещины и др. Визуализация внутр. структуры образца на больших глубинах затруднена эффектами отражения и преломления на его границе. Вследствие отражения лишь малая часть падающего излучения проходит внутрь образца, а структура прошедшего пучка оказывается искажённой эффектами преломления: в образце возникает неск. сходящихся пучков, образованных упругими волнами разл. поляризаций (в изотропном образце-продольными и поперечными волнами), причём эти пучки имеют значит, аберрации за счёт изменения хода лучей при преломлении. Однако использование в качестве иммерсии жидкостей с большими волновыми сопротивлениями и скоростями звука (напр., жидкого галлия) позволяет уменьшить потери на отражение и аберрации и получить акустич. изображения внутр. структур образца как в продольных, так и в поперечных лучах.

Для визуализации тонких плоских образцов (плёнок, пластинок, срезов биол. тканей и др.) используется M. а. "на прохождение". Толщины образцов в этом случае ограничены величиной межлинзового расстояния в конфокальной системе, поглощением и аберрациями фокусиров. УЗ-пучка в образце и обычно не превышают неск. десятков длин волн на рабочей частоте микроскопа. Контраст акустич. изображений для объектов с акустич. характеристиками, близкими к характеристикам иммерсии (напр., биол. объекты в воде), создаётся не только локальными вариациями поглощения и рассеяния в образце, но и неоднородным распределением скорости звука по образцу, поскольку лучи в сходящемся пучке, идущие под разл. углами к оси пучка, проходят в образце разные пути и приходят на приёмный преобразователь с разл. фазами. Поэтому сигнал на выходе оказывается зависящим от локальной скорости звука в образце.

M. а. позволяет непосредственно наблюдать микроструктуру объекта, распределение его упругих и вязких свойств. M. а. используется для получения изображений оптически непрозрачных объектов или, наоборот, прозрачных объектов с незначит. оптич. контрастом.

Рис. 5. Акустические (слева) и оптические (справа) изображения биологических образцов: поперечный срез дермы человека (а) и срез печени мыши (б).

Рис. 6. Акустические (слева) и оптические (справа) изображения образцов: о - керамики (увеличение; б - аустенита (увеличениеконтроля изделий микроэлектроники; в биологии и медицине - для прижизненного изучения тканей и клеток и др.

Во мн. случаях получение акустич. изображений, в отличие от оптических, не требует спец. методов приготовления образцов [для биол. объектов - фиксации и окрашивания (рис. 5), для минералов и сплавов - травления (рис. 6) и др.] и позволяет непосредственно наблюдать динамику физ., физ--хим. и биол. процессов в образцах. M. а. применяется в материаловедении для изучения структуры минералов, сплавов и кристаллов, а также плёнок и разл. покрытий; для нералрушающего M. а. используется также для количеств, измерений локальных модулей упругости материалов. Методом V(z)-характеристик в акустич. микроскопах "на отражение" измеряется локальная скорость рэлесвской волны в изотропных твёрдых телах. Измерения V(z)-xарактеристик с помощью цилиндрич. акустич. линзы позволяют определять скорости распространения поверхностных волн по разл. направлениям в анизотропных материалах и тем самым характеризовать локальную анизотропию этих материалов.

Лит.: Березина С. И., Лямов В. E., Солодов И. Ю., Акустическая микроскопия, "Вестник МГУ. Сер,Физика, Астрономия", 1977, т. 18, № 1, с. 3; Кесслер Л. У., Юхас Д. Э., Акустическая микроскопия, "ТИИЭР", 1979, т. 67, № 4, с. 96; Куэйт К. Ф., Алталар А., Викрамасингхе X. К., Акустическая микроскопия с механическим сканированием. Обзор, там же, № 8, с. 5; Lеrаоns R. А., Quatе С. F., Acoustic microscopy, в кн.: Physical acoustics, v. 14, ed. by W. P. Mason, R. N. Thurston, [s. 1.], 1979.

B. M. Левин.

   <<      Предметный указатель      >>