本文介绍了一种构建快速布里渊光谱仪的方案。通过级联虚拟成像相位阵列(VIPA)标准具,可实现比传统扫描法布里-珀罗光谱仪快1000多倍的测量速度。这一改进使得在低激光功率下对组织和生物材料进行活体(in vivo)布里渊分析成为可能。
本文介绍了一种构建快速布里渊光谱仪的方案。通过级联虚拟成像相位阵列(VIPA)标准具,可实现比传统扫描法布里-珀罗光谱仪快1000多倍的测量速度。这一改进使得在低激光功率下对组织和生物材料进行活体(in vivo)布里渊分析成为可能。
本实验方案的目标是构建一种并行高消光比、高分辨率的光学布里渊光谱仪。布里渊光谱是一种非接触式测量方法,可用于直接读取材料的黏弹性特性,在材料表征、结构监测和环境传感中已发挥重要作用。过去,布里渊光谱通常采用扫描式法布里-珀罗标准具进行光谱分析,该过程需要较高的照明功率和较长的采集时间,因而不适用于生物医学应用。一种新近提出的新型光谱仪通过采用两个垂直交叉轴配置的虚像相位阵列(VIPA)克服了这一挑战,实现了亚吉赫兹(GHz)分辨率的光谱分析,同时采集时间小于一秒,照明功率处于生物组织安全限值之内。这一改进所推动的多种新应用目前正被广泛探索于生物研究与临床应用之中。
布里渊散射最早由莱昂·布里渊(Leon Brillouin)1 于1922年提出,是指光与固体中的热声学模式,或与液体及气体中的热密度涨落发生非弹性散射的现象。散射光的频移通常处于亚GHz范围,可提供入射光与样品中声学声子相互作用的信息。因此,该技术可用于获取被测材料的黏弹性特性的有用信息。
在自发式布里渊散射中,其散射截面通常与拉曼散射相当,导致信号非常微弱。此外,布里渊频移的量级远小于拉曼频移。因此,弹性散射光(来自瑞利或米氏散射)、杂散光以及样品表面的反射光都很容易掩盖布里渊光谱特征。因此,布里渊光谱仪不仅需要实现亚GHz的光谱分辨率,还需要具备高光谱对比度或高消光能力。
在传统的布里渊光谱仪中,这些要求通常通过扫描光栅单色仪、光拍频方法,以及最为流行的多通扫描法布里-珀罗干涉仪来实现2。这些方法按顺序逐个测量光谱分量,导致获取单个布里渊光谱所需的时间从几分钟到数小时不等,具体取决于仪器和样品。而采用本方案构建的双级VIPA光谱仪能够在不到一秒的时间内采集全部光谱分量,同时提供足够的抑制能力(>60 dB),从而有效抑制其他虚假信号2。
VIPA 标准具的集成是该光谱仪的关键组成部分。VIPA 是一种固体标准具,具有三个不同的镀膜区域:前表面有一条窄带增透膜,允许光进入 VIPA,其余部分则镀有高反射(HR)膜;后表面镀有部分反射膜,允许一小部分光(约 5%)透射。当光束聚焦到略微倾斜的 VIPA 的窄入射口时,光在 VIPA 内部被反射成具有固定相位差的多个子光束2。这些子光束之间的干涉实现了所需的高光谱色散。将两个 VIPA 以正交轴配置依次排列,可在相互垂直的方向上引入光谱色散3。正交方向上的光谱色散将布里渊峰与不需要的串扰在空间上分离开来,从而可以仅提取布里渊信号。图 1 展示了两级 VIPA 光谱仪的示意图。光学元件下方的箭头表示平移台应调整的自由度方向。

图1. 实验装置示意图。 一根光纤将布里渊散射光导入光谱仪。柱面透镜C1(f=200 mm)将光聚焦至第一个虚像相位阵列(VIPA1)的入射口。另一个柱面透镜C2(f=200 mm)将光谱角展宽映射为C2焦平面上的空间分离。在此焦平面处,使用一个垂直掩膜来选择所需光谱区域。随后是一个类似的、但旋转90度的装置。光束穿过球面透镜S1(f=200 mm)后,被聚焦至第二个虚像相位阵列(VIPA2)的入射狭缝。球面透镜S2(f=200 mm)在其焦平面内形成二维光谱分离图案,并在该平面放置另一个水平掩膜。该水平掩膜通过一对消色差透镜成像至EMCCD相机上。请点击此处查看该图的放大版本。
具备一定光学课程基础和基本光路调节经验的本科生应能够搭建并使用该双级光谱仪。最近研究表明,该光谱仪可与多种标准光学探头兼容。3,4,5 (例如, 共聚焦显微镜,内窥镜,裂隙灯检眼镜)。此处,光谱仪连接至一台共聚焦显微镜。激光光束通过集成一个90:10分束器后,被导入标准的倒置研究用显微镜系统。来自样品的背向散射光被耦合进入单模光纤,从而使显微镜具备共聚焦特性。
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注意:布里渊光谱分析需要单纵模激光器(在样品处约为 10 mW)。用于对准时,应使用该激光束经强衰减后的部分(<0.1 mW)。
1. 光纤和EMCCD(电子倍增电荷耦合器件)相机的初始设置
2. 光谱仪的水平台
3. 光谱仪的垂直平台
4. 两个阶段的结合与最终对齐
5. 测量布里渊频移
6. 布里渊光谱的校准与分析



图2. 光谱仪校准。(A)由校准样品获得的EMCCD相机图像。(B)对测量数据(蓝色)的洛伦兹曲线拟合(红色)。请点击此处查看该图的放大版本。

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图3展示了不同材料的代表性布里渊光谱及其拟合结果。两个色散棱镜分析仪(VIPA)的厚度均为5 mm, resulting in 自由光谱范围(FSR)约为20 GHz。这些测量的积分时间为100毫秒,共采集100次测量结果并取平均值。在采集光谱之前进行了一次校准测量。

图3. 不同材料的布里渊光谱。 对测量数据(蓝色)进行洛伦兹曲线拟合(红色)。(a)甲醇的布里渊光谱。测得的布里渊频移为5.59 GHz。(b)乙醇的布里渊光谱。测得的布里渊频移为5.85 GHz。...
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该光谱仪构型的一个关键设计特点是两个阶段可以独立对准。当将 VIPA 标准具从光路中移出时,光谱仪阶段的其余透镜构成一个 1:1 成像系统,从而使每个阶段的光谱图样都能成像到 CCD 相机上。因此,可以方便地返回任一阶段以优化其性能,而不会影响另一阶段的对准。本方案中建议的平移台组及其自由度遵循这一设计理念,即保持能够独立优化光谱仪两个阶段的能力。
很难安装 VIPA 标准具,使其倾斜自由度围绕输入窗口轴旋转。因此,在使用市售光学机械部件操作时,倾斜标准具不可避免地会引入输入窗口的小幅平移。由于输入透镜的瑞利长度较大(约 3 mm),沿光束轴方向的平移不应产生负面影响。然而,沿光束传播方向正交轴上的平移可能会显著降低光谱仪的通光效率。因此,必须协同操作 VIPA 安装架的平移和倾斜自由度,以最大化精细度和通光效率。建议以相对较大的倾斜角(约 3–5 度)开始对准程序,以便几乎无损耗地将光耦合进入 VIPA 标准具。随着对准精度的提高,可逐步减小倾斜角以提升精细度。优化精细度和通光效率是对准协议中的重要环节,尤其在生物材料应用中,必须尽可能降低积分时间和激光功率。
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Giuliano Scarcelli 和 Seok H. Yun 持有与布里渊光谱技术相关的专利。
本工作部分得到了美国国立卫生研究院(P41-EB015903、R21EY023043、K25EB015885)、国家科学基金会(CBET-0853773)以及人类前沿科学计划(青年研究员资助)的支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| OPTICS | |||
| 虚拟像位相阵列(VIPA) | LIGH MACHINERY | 数量:2 | |
| 带SM-25千分尺的三轴423线性位移台套件 | NEWPORT | 423-MIC | 数量:1 |
| SS交叉滚柱轴承平移台,0.5英寸,8-32,1/4-20 | NEWPORT | 9066-X | 数量:1 |
| 游标千分尺,行程13 mm,负载能力9磅,螺距50.8 TPI | NEWPORT | SM-13 | 数量:1 |
| 可调宽度狭缝 | NEWPORT | SV-0.5 | 数量:2 |
| 紧凑型燕尾线性位移台,Z向行程0.20英寸,尺寸1.57×1.57×1.38 英寸 | NEWPORT | DS40-Z | 数量:2 |
| 槽型底板,适配25或40 mm至65 mm位移台,调节范围1.1英寸 | NEWPORT | B-2B | 数量:2 |
| Ø1/2"光学支柱,带8-32紧定螺钉,1/4"-20螺纹孔,L = 2",5件装 | THORLABS | TR2-P5 | 数量:2 |
| Ø1/2"支柱固定座,带弹簧加载六角锁紧手拧螺钉,L = 2",5件装 | THORLABS | PH2-P5 | 数量:1 |
| Ø1/2"支柱固定座,带弹簧加载六角锁紧手拧螺钉,L = 3",5件装 | THORLABS | PH3-P5 | 数量:1 |
| 适用于2"光学元件的英制透镜安装座,带8-32螺纹孔 | THORLABS | LMR2 | 数量:2 |
| f=200.0 mm,Ø2"消色差双合透镜,增透膜:400-700 nm | THORLABS | AC254-200-A | 数量:2 |
| 适用于高度不超过1.3"(33 mm)矩形光学元件的运动学安装座,右旋 | THORLABS | KM100C | 数量:2 |
| 固定式柱面透镜安装座,最大光学元件高度:1.60"(40.6 mm) | THORLABS | CH1A | 数量:2 |
| f=200.00 mm,H=30.00 mm,L=32.0 mm,N-BK7平凸柱面透镜,增透膜:350-700 nm | THORLABS | L1653L1-A | 数量:2 |
| 直角支柱夹具,固定90°转接头 | THORLABS | RA90 | 数量:1 |
| 带外C型螺纹和内SM1螺纹的转接头 | THORLABS | SM1A9 | 数量:1 |
| 带螺柱底座转接头,1/4"-20螺纹 | THORLABS | PB4 | 数量:2 |
| 垫块,2" × 3",厚度1.000" | THORLABS | Ba2S7 | 数量:2 |
| 543 nm,f=15.01 mm,NA=0.17 FC/APC光纤准直器 | THORLABS | F260APC-A | 数量:1 |
| 用于Ø11 mm准直器的SM1螺纹转接头 | THORLABS | Ad11F | 数量:1 |
| 用于Ø1"光学元件的平移透镜安装座,含1个固定环 | THORLABS | LM1XY | 数量:1 |
| 单模光纤跳线,450 - 600 nm,FC/APC接头,2米长 | THORLABS | P3-460B-FC-2 | 数量:1 |
| 1:1匹配消色差透镜对,f1=30 mm,f2=30 mm,宽带增透膜:400-700 nm | THORLABS | MAP103030-A | 数量:1 |
| SM1螺纹透镜套管…长度需根据CCD调整,我们使用3.5 英寸 | THORLABS | SM1LXX | 数量:1 |
| 用于Ø1/2"支柱固定座和Ø1"支柱的底座转接头 | THORLABS | BE1 | 数量:8 |
| 用于 Ø1/2"支柱固定座和Ø1"支柱的夹持叉 | THORLABS | CF125 | 数量:8 |
| HW-KIT5 - Mini系列用4-40帽头螺钉及五金套件 | THORLABS | HW-KIT5 | 数量:1 |
| D20S - 标准光阑,最大孔径Ø20.0 mm | THORLABS | D20S | 数量:2 |
| 用于封闭装置 | |||
| 25 mm结构导轨,L = 21" | THORLABS | XE25L21 | 数量:6 |
| 1"结构立方体,带三个1/4"(M6)沉头孔 | THORLABS | RM1G | 数量:8 |
| 25 mm导轨用直角支架 | THORLABS | XE25A90 | 数量:12 |
| 25 mm结构导轨,L = 15" | THORLABS | XE25L15 | 数量:4 |
| 25 mm结构导轨,L = 9" | THORLABS | XE25L09 | 数量:8 |
| 高性能黑色遮蔽胶带,2" × 60码(50 mm × 55 m)卷 | THORLABS | T743-2.0 | 数量:1 |
| 低剖面T型螺母,1/4"-20螺纹孔,数量:10个 | THORLABS | XE25T3 | 数量:1 |
| 1/4"-20低剖面槽型螺钉(每盒100个) | THORLABS | SH25LP38 | 数量:1 |
| 60"(宽)× 3码(长)× 0.005"(厚)(1.5 m × 2.7 m × 0.12 mm)遮光布 | THORLABS | BK5 | 数量:1 |
| 相机、激光器和显微镜 | |||
| EMCCD相机 | ANDOR | iXon Ultra 897 | 数量:1 |
| 400 mW单模绿光激光器 | LASER QUANTUM | torus 532 | 数量:1 |
| 研究级倒置显微镜系统 | OLYMPUS | IX71 | 数量:1 |
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