< Terug naar vorige pagina

Project

Optische detectie van fotothermisch geïnduceerde temperatuursveranderingen in glasvormende vloeistoffen

Dit doctoraatsonderzoek maakte gebruik van geavanceerde volledig optische methoden om de respons van de glasvormende materialen glycerol en salol op fotothermische excitatie te meten, met als doel informatie te extraheren over de frequentie- en temperatuurafhankelijkheid van de warmtecapaciteit en de thermische uitzettingscoëfficiënt. Aangezien de karakteristieke relaxatietijden van glasvormers kunnen variëren over verschillende orde groottes was de belangrijkste uitdaging om technieken te ontwikkelen die in staat zijn om de temperatuur- en dichtheidsrespons op fotothermische excitatie in een grote bandbreedte te volgen. Twee experimentele routes werden onderzocht: op fluorescentie gebaseerde thermometrie, en thermische lensdetectie.

Het eerste deel van het manuscript rapporteert over de ontwikkeling van een volledig optische thermometrie op basis van fluorescentie. De temperatuurgevoelige aard van moleculaire fluorescentie van RhB, opgelost in het glycerol sample, vormde de basis voor het ontwerpen van optische detectiesystemen waarbij analyse van veranderingen in kwantumopbrengst, de piekgolflengten, de breedte van de emissiepieken en andere spectrale attributen gebruikt werd voor een lokale meting van temperatuur. Dit schema resulteerde in snelle temperatuurdetectie met een bandbreedte van 5 kHz en een gevoeligheid van 16 mK Hz-1/2. Meting van de tijdelijke thermische respons veroorzaakt door gepulste laserbestraling en de periodieke temperatuurverandering veroorzaakt door gemoduleerde laserverwarming door fluorescentiethermometrie blijkt haalbaar. Deze aanpak werd gebruikt voor het onderzoek naar de thermische relaxatie van onderkoelde glycerol. Resultaten verkregen in twee fotothermische excitatieschema's, één met belichting van het monster door sinusoïdaal gemoduleerd laserlicht en één met behulp van een laserpuls om het monster te verwarmen, toonden temperatuurresponsen waarvan de vorm en afhankelijkheid van de DC-temperatuur kwalitatief overeenkomen met verwachtingen en simulaties voor een ontspannend materiaal.

Het tweede deel van dit werk rapporteert over de simultane spectroscopie van de specifieke warmtecapaciteit en thermische uitzetting van glycerol en salol door gebruik te maken van een breedbandige tijdsgeresolveerde thermische lens (TL)-techniek. Er wordt een analytisch model voorgesteld dat TL-transiënten beschrijft in een relaxerend systeem dat wordt onderworpen aan impulsieve laserverwarming. Een reeks TL-golfvormen, met een temporele resolutie in de orde van nanoseconden en een duur tot 20 ms, werd geanalyseerd op glycerol en salol bij onderkoeling, respectievelijk van 300 K tot 200 K en 255 K tot 228 K. De uitdaging van deze methode was om de gemengde invloeden van de frequentieafhankelijke warmtecapaciteit en thermische uitzettingscoëfficiënt afzonderlijk te extraheren uit de signalen. Een bevredigende aanpassing van de TL-signalen aan het model maakte de beoordeling mogelijk van de relaxatiesterkte en de relaxatiefrequentie van de twee hoeveelheden tot sub-100 MHz glycerol en sub-10 MHz salol, waarmee de bandbreedte van specifieke warmte- en thermische uitzettingsspectroscopie verder werd uitgebreid ten opzichte van eerder in de literatuur gerapporteerd werk. De verkregen Arrheniuscurves voor de relaxatiefrequentie van de specifieke warmtecapaciteit en thermische uitzetting blijken parallel te lopen in het gemeten temperatuurbereik. De respectievelijke waarden voor de fragiliteit zijn vergelijkbaar met die van diëlektrische en mechanische relaxatie, wat het universele relaxatiegedrag tussen de verschillende responsfuncties bevestigt. Interessant is dat de respectievelijke relaxatiesterkten behoorlijk verschillen.

Datum:16 okt 2017 →  11 jan 2022
Trefwoorden:all-optical technique, fluoscence thermometry, fluorescence spectra
Disciplines:Fysica van gecondenseerde materie en nanofysica, Biofysica
Project type:PhD project