Focus error measurement system: practical design considerations

Se presenta un estudio detallado de las consideraciones prácticas del diseño de un sistema de medición de error de foco mediante simulaciones numéricas basadas en matrices de rayos ABCD para haces gaussianos. Los resultados obtenidos pueden aplicarse equivalentemente a los casos de medición por reflexión o por transmisión, dado que los mismos resultan idénticos a menos de un cambio de variables. En todos los casos, los cálculos consideran la forma real del tipo de detector utilizado debido a que éstos poseen gaps que separan los diversos cuadrantes, afectando a su eficiencia. Las distancias involucradas entre los componentes ópticos son barridas a fin de estudiar el comportamiento de la sensibilidad, permitiendo maximizarla dependiendo de la aplicación.A detailed study of the practical design considerations for a focus error measurement system through numerical simulations, based on ABCD ray matrix for Gaussian beams, is presented. The results obtained can be applied in an equivalent way to the cases of reflection or transmission measurement, since these are identical by means of a change of variables. In all cases, the calculations consider the actual shape of the detector used, since these have gaps that separate the quadrants, affecting their efficiency. The distances involved between the optical components are swept in order to study the behavior of the sensitivity, maximizing it depending on the application.Fil: Zaldivar Escola, Facundo. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería. Departamento de Física. Laboratorio de Haces Dirigidos; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentin

Photothermal microscopy applied to the characterization of nuclear fuel pellets

The photothermal photodeflection technique is shown to provide information on the homogeneity of fuel pellets, pore distribution, clustering detection of pure urania and gadolinea and to provide a two-dimensional mapping of the thermal diffusivity correlated to the composition of the interdiffused Gadolinium and Uranium oxide. Histograms of the thermal diffusivity distribution become a reliable quantitative way of quantifying the degree of homogeneity and the width of the histogram can be used as a direct measure of the homogeneity. These quantitative measures of the homogeneity of the samples at microscopic levels provides a protocol that can be used as a reliable specification and quality control method for nuclear fuels, substituting with a single test a battery of expensive, time consuming and operator dependent techniques.Fil: Zaldivar Escola, Facundo. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería. Departamento de Física. Laboratorio de Haces Dirigidos; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Martinez, Oscar Eduardo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; ArgentinaFil: Mingolo, Nelida. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería. Departamento de Física. Laboratorio de Haces Dirigidos; ArgentinaFil: Kempf, R.. Comisión Nacional de Energía Atómica; Argentin

Photothermal Microscopy

AbstractAn accessory for a commercial optical microscope was implemented to map the thermal diffusivity of the sample with high spatial resolution. The system is based in the photothermal technique recently developed by the group. It consists in the measurement with a probe laser of the surface curvature induced by the heat delivered by a modulated pump laser. A lock-in detection technique provides the signal amplitude and phase as a function of the modulation frequency. The accessory was mounted on the camera port of a metallographic microscope Olympus BX51. Results obtained on different samples are presented

Investigation of laser annealing mechanisms in thin film coatings by photothermal microscopy

We study the evolution of the absorptance of amorphous metal oxide thin films when exposed to intense CW laser radiation measured using a photothermal microscope. The evolution of the absorptance is characterized by a nonexponential decay. Different models that incorporate linear and nonlinear absorption, free carrier absorption, and defect diffusion are used to fit the results, with constraints imposed on the fit parameters to scale with power and intensity. The model that best fits is that two types of interband defects are passivated independently, one by a one-photon process and the other one by a two-photon process.Fil: Zaldivar Escola, Facundo. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería. Departamento de Física; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Mingolo, Nélida. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería. Departamento de Física; ArgentinaFil: Martínez, Oscar E.. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería. Departamento de Física; ArgentinaFil: Rocca, Jorge J.. State University of Colorado - Fort Collins; Estados UnidosFil: Menoni, Carmen S.. State University of Colorado - Fort Collins; Estados Unido

Photothermal microscopy applied to the study of polymer composites

It is proposed to transfer the capabilities of a high sensitivity photothermal technique, developed by the group and widely used in the study of thermal properties of ceramics, metals and glass, to the study of polymer composites. The technique uses a sensing beam for the measurement of the thermal response of the sample due to local effects induced by heating with a modulated pump laser. With a simple spatial sweep of the beams on the sample surface, information on a micrometric scale of the thermal diffusivity of the material, distribution of phases and pores is obtained. Post-process analysis allows calculating average values of relevant properties such as thermal diffusivity, degree of crystallinity and distribution of aggregates. These measurements are performed at low laser powers (of the order of micro watts) avoiding the damage of the studied samples and turning this technique into a powerful tool of non-destructive characterization.Fil: Zaldivar Escola, Facundo. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería. Departamento de Física; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentin

Microscopía fototérmica confocal

Grado obtenido: Doctor de la Universidad de Buenos Aires. Área IngenieríaDisciplina: IngenieríaFil: Zaldivar Escola, Facundo. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingenierí

Adaptive telescope for confocal photothermal microscopy of irregular surfaces

An adaptive telescope was developed to perform measurements using the confocal photothermal microscopy technique. The telescope automatically aligns to reinject the reflected probe beam as the measurement scans over irregular surfaces. The system uses DVD lenses that adapt to surfaces through controlled movements. Alignment algorithms are presented along with measurements on complex surfaces.Fil: Jan, Luis Emiliano. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería. Departamento de Física. Laboratorio de Haces Dirigidos; ArgentinaFil: Zaldivar Escola, Facundo. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería. Departamento de Física. Laboratorio de Haces Dirigidos; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Mingolo, Nélida. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería. Departamento de Física. Laboratorio de Haces Dirigidos; Argentin

Photothermal microscopy for the study of phase transformations

Se presenta el desarrollo de un novedoso sistema que permite el mapeo con alta resolución espacial de la difusividad térmica en función de la temperatura hasta 1800K. El sistema se basa en una técnica fototérmica recientemente desarrollada por el grupo, consistente en la medición con un láser de prueba de la curvatura inducida por el calentamiento con un láser modulado. La utilización de tecnología de fibras ópticas provee una alta robustez al equipo. Un horno para microscopio permite realizar rampas a velocidad controlada para el estudio de transiciones de fase y la medición de la difusividad térmica en función de la temperatura. Se pueden establecer mesetas para hacer barridos espaciales con resolución microscópica para el estudio de la evolución de las fases o hacer tratamientos térmicos in situ para estudiar luego la distribución espacial de las fases presentes. En este trabajo se presenta un ejemplo, donde la señal es colectada para un punto fijo y para una dada frecuencia de modulación, en función de la temperatura de la muestra. Se diseña para ello un sistema de corrección de enfoque que compensa la deriva térmica generada por la expansión térmica del sistema. El desplazamiento lateral es corregido utilizando un algoritmo de correlación y la imagen de la cámara. Este dispositivo fue utilizado para determinar la transición de fase de una muestra testigo. Estas capacidades se muestran a partir de la determinación de la energía de activación de la transformación de fase amorfo-cristal de una aleación de Fe-B-Si.A novel system allowing a high spatial resolution mapping of the thermal diffusivity as a function of temperature up to 1800 K is presented. The system is based on a photothermal technique recently developed by the group, consisting in measuring, with a probe laser beam, the curvature induced by local heating with a modulated pump laser. A microscope heating stage was added to perform temperature ramp and soak that can be used for phase transition and thermal diffusivity determinations as functions of temperature. Spatial scans with microscopic resolution can be performed to study phases evolution at constant temperature for in situ thermal treatments and subsequent study of the spatial phase distribution. In this work an example is presented where the signal at a fixed point and constant modulation frequency is collected as a function of the temperature of the sample. A focus correction device was added to compensate for the thermal drift due to the thermal expansion of the system. The lateral displacement was corrected using a cross correlation algorithm and the camera image. This device was used to determine phase transition temperature of a test sample. These capabilities are shown with the determination of the activation energy for the phase transformation glasscrystal of a Fe-B-Si alloy.Fil: Zaldivar Escola, Facundo. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Martinez, Oscar Eduardo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería; ArgentinaFil: Mingolo, Nelly. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería; Argentin

Microscopía fototérmica

Las técnicas fototérmicas se basan en la absorción de un haz de luz modulado para generar ondas térmicas. Debido a este aumento de temperatura se producen diferentes procesos térmicos: expansión térmica, cambio de la reflectividad y cambio del índice de refracción. En materiales complejos como cerámicos, películas delgadas y compuestos es de sumo interés poder predecir y entender su comportamiento para la caracterización y desarrollo de nuevos materiales y procesos de fabricación industrial. Para ello es necesario conocer tanto los parámetros físicos como las propiedades de cada uno de los constituyentes a escalas microscópicas. Estas técnicas pertenecen al grupo de ensayos no destructivos dado que al no haber contacto no se alteran las propiedades de las muestras analizadas. En base a la experiencia del grupo en el área se presentan nuevos desarrollos tecnológicos consistentes en microscopios fototérmicos a medida de las aplicaciones, que permiten responder a demandas de distintos sectores.The photothermal techniques rely in the absorption of a modulated light beam to generate thermal waves. The temperature rise induces different thermal processes: thermal expansion, reflectivity change and changes in the refractive index. In complex materials such as ceramics, thin films and composites it is of great interest to be able to predict and understand their behavior for the characterization and development of new materials and industrial manufacturing processes. For this it is necessary to know both the physical parameters and the properties of each of the constituents at microscopic scales. These techniques belong to the group of non-destructive tests given that, when there is no contact, the properties of the samples analyzed are not altered. Based on the group’s experience in the area, new technological developments are presented, consisting of photothermal microscopes tailored to the applications that allow responding to the demands of different sectors.Fil: Zaldivar Escola, Facundo. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería. Departamento de Física. Laboratorio de Haces Dirigidos; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Jan, Luis Emiliano. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería. Departamento de Física. Laboratorio de Haces Dirigidos; ArgentinaFil: Mingolo, Nelida. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería. Departamento de Física. Laboratorio de Haces Dirigidos; Argentin

Characterization of Sintered Mixed Oxides by Photothermal Microscopy

A new photothermal microscopy device is presented and used to map the thermal diffusivity of mixed oxides. The particular cases of UO2 + 10 %Gd2O3 andUO2 +7.5%Dy2O3 are discussed, showing how to determine the homogeneity of theprepared samples, distinguish interdiffused oxides from mixed oxides, recognize and characterize clusters, and determine the relative abundance of different species and its spatial distribution. Histograms can be generated that provide a quantitative determination of the homogeneity. Adding an independent determination of the thermal diffusivity as a function of the composition made in bulk material allows the conversion of the diffusivity map into a concentration map, providing direct quantitative determination of the homogeneity and spatial distribution in concentration units. The new device can be added as an accessory to an optical microscope entering through a standard C mount camera port. Two semiconductor lasers within the viewing spectroscopic window of any microscope (650 nm wavelength for the pump and 785 nm for the probe) that were coupled to a single-mode fiber were used, and the reflected signal was collected using the same fiber. With this construction, the resulting equipment was robust and reliable.Fil: Zaldivar Escola, Facundo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería. Departamento de Física. Laboratorio de Haces Dirigidos; ArgentinaFil: Kempf, Rodolfo. Comisión Nacional de Energía Atómica; ArgentinaFil: Mingolo, Nelida. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería. Departamento de Física. Laboratorio de Haces Dirigidos; ArgentinaFil: Martínez, Oscar Eduardo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería. Departamento de Física; Argentin