方法文章

用于材料分析的高速连续波受激布里渊散射光谱仪

9.9K 次观看

⸱

DOI：

10.3791/55527

⸱

2017年9月22日

 ,  , 
1Biomedical Engineering Department, Ben-Gurion University of the Negev, 2Ilse Katz Institute for Nanoscale Science and Technology, Ben-Gurion University of the Negev

本文内容

摘要

我们描述了一种快速连续波受激布里渊散射（CW-SBS）光谱仪的构建方法。该光谱仪采用单频二极管激光器和原子蒸气陷波滤光片，能够以比现有CW-SBS光谱仪快达100倍的速度，对浑浊或非浑浊样品进行高光谱分辨率的透射光谱测量。这一改进实现了高速布里渊材料分析。

摘要

近年来，自发布里渊光谱仪在软物质（如水溶液和生物材料）的非接触式分析中得到广泛应用，且具有快速采集的优势。本文介绍了利用受激布里渊散射（SBS）技术，在透射模式下测量水和基于脂质乳液的类组织样品的受激布里渊增益（SBG）光谱的布里渊光谱仪的组装与操作方法，其光谱分辨率优于<10 MHz，布里渊频移测量精度优于<35 MHz，测量时间小于<100 ms。该光谱仪采用两束波长为780 nm、几乎反向传播的窄线宽连续波（CW）激光器，通过扫描其频率失谐量以覆盖材料的布里渊频移范围。通过使用超窄带热铷-85蒸气陷波滤波器和相敏检测器，与现有的连续波SBS光谱仪相比，SBG信号的信噪比显著提高。这一改进使得SBG光谱的采集速度最高可提升100倍，从而实现了对软材料高速、高光谱分辨率和高精度的布里渊分析。

引言

近年来，自发布里渊光谱技术已成为分析液体、真实组织、组织仿体及生物细胞等软材料力学特性的有效方法1,2,3,4,5,6,7。该方法利用单束激光照射样品，通过光谱仪收集介质中由自发热声波引起的非弹性散射光，从而获取样品黏弹性特性的有用信息。自发布里渊光谱包含两个布里渊峰，分别对应材料的声学斯托克斯和反斯托克斯共振，以及一个位于激发激光频率处的瑞利峰（源于弹性散射光）。在布里渊后向散射几何构型中，布里渊频率相对于激发激光频率偏移数GHz，其谱线宽度达数百MHz。

尽管扫描式法布里-珀罗光谱仪一直是获取软物质中自发布里渊光谱的首选系统1,2，但近年来虚拟成像相位阵列（VIPA）光谱仪的技术进步已实现了显著更快（亚秒级）且具有足够光谱分辨率（亚GHz）的布里渊测量3,4,5,6,7。在本方案中，我们介绍一种不同的、基于连续波激发布里渊散射（CW-SBS）光检测的高速、高光谱分辨率、高精度布里渊光谱仪的构建方法，适用于近后向散射几何构型下的非浑浊和浑浊样品。

在连续波布里渊散射（CW-SBS）光谱中，两束频率略有失谐的连续波（CW）泵浦光和探测光在样品中重叠，从而激发声学波。当泵浦光与探测光之间的频率差匹配材料的某一特定声学共振频率时，受激布里渊增益（SBG）或受激布里渊损耗（SBL）过程将分别导致探测信号的增强或减弱；否则，不会发生SBS的放大或衰减效应8,9,10,11。因此，通过扫描激光器之间的频率差覆盖材料的布里渊共振范围，并检测由于SBS引起的探测光强度的增加（或增益）或减少（或损耗），即可获得SBG（或SBL）光谱。与自发布里渊散射不同，SBS中本质上不存在弹性散射背景，因此在浑浊和非浑浊样品中均可实现优异的布里渊对比度，且无需使用VIPA光谱仪所需的瑞利抑制滤光片10,11,13。

CW-SBS 光谱仪的主要组成部分包括泵浦激光器、探测激光器以及受激布里渊增益/损耗检测器。为了实现高光谱分辨率和高速的连续波布里渊散射（CW-SBS）光谱测量，所用激光器需为单频激光器（< 10 MHz 线宽）并具有足够宽的波长可调范围（20 - 30 GHz）和扫描速率（> 200 GHz/s），长期频率稳定性（<50 MHz/h）和低强度噪声。此外，泵浦（探测）光束需要在样品上具有数百（数十）毫瓦功率的线性偏振、衍射极限激光束。最后，受激布里渊增益/损耗探测器应设计为能够可靠地检测微弱的反向受激布里渊增益/损耗（SBG/SBL）水平（10⁻⁶–10⁻⁵）。-5 - 10-6)在软物质中的应用。为满足这些需求，我们选用了与保偏光纤耦合的分布式反馈（DFB）半导体激光器，并结合一种受激布里渊增益/损耗探测器，该探测器包含超窄带原子蒸气陷波滤波器和高频单调制锁相放大器，如图所示 图1该检测方案使SBG信号的强度加倍，同时显著降低探针强度中的噪声，而所需的SBG信号即嵌于其中11请注意，我们SBS光谱仪中使用的原子蒸气陷波滤波器的作用是显著减少不需要的泵浦光杂散反射的探测，而不是像VIPA光谱仪那样用于降低弹性散射背景，后者同时探测自发瑞利散射和布里渊散射光。通过以下详述的方案，可构建一台连续波SBS光谱仪，能够获取水和组织模拟体的透射光谱，其斯托克斯布里渊增益（SBG）水平可低至10-6 在 <35 MHz 布里渊频移测量精度，测量时间在 100 毫秒或更短时间内。

figure-introduction-1
图1：连续波受激布里渊散射（CW-SBS）光谱仪。 两束连续波的泵浦和探测半导体激光器（DL），其频率调谐至接近样品的布里渊频移，分别通过准直器 C1 和 C2 耦合进保偏单模光纤。泵浦与探测光之间的频率差通过光纤分路器（FS）、快速光电探测器（FPD）和频率计数器（FC）提取并检测泵浦和探测光束的拍频信号来测量。S偏振的探测光束（浅红色），经开普勒型扩束镜（L1 和 L2）扩束后，由四分之一波片（λ1/4）转换为右旋圆偏振，并通过消色差透镜（L3）聚焦到样品（S）上。为了实现有效的受激布里渊相互作用和光学隔离，泵浦光束（深红色）经另一组开普勒型扩束镜（L5 和 L6）扩束后，首先通过半波片（λ2/4）转换为P偏振，再经偏振分束器（PBS）透射，随后由四分之一波片（λ2/4）转换为左旋圆偏振，并通过消色差透镜（L4；与 L3 相同）聚焦至样品。需注意，泵浦光与探测光在样品中近乎反向传播，且使用了一个S方向的偏振片（P）以防止从 λ1/4 出射的P偏振泵浦光进入探测激光器。为实现锁相检测，泵浦光通过声光调制器（AOM）在频率 fm 处进行正弦调制。受激布里渊增益（SBG）信号表现为频率 fm 处的强度变化（见插图），经大面积光电二极管（PD）探测后，由锁相放大器（LIA）解调获得。为有效抑制光电二极管中杂散泵浦光的反射，采用了窄带布拉格滤波器（BF）、位于泵浦波长附近的原子陷波滤波器（85Rb）以及一个遮光光阑（I）。数据由连接至个人计算机（PC）的数据采集卡（DAQ）记录，用于后续布里渊谱的分析。所有折叠反射镜（M1–M6）用于将整个光谱仪系统集成在一块垂直安装于光学平台上的 18''×24'' 光学面包板上，以便于水相样品的放置。请点击此处查看该图的放大版本。

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

方案

注意：除非另有说明，（i）将所有支架连接至立柱固定座，并使用夹持叉或安装底座将立柱底座紧固在光学平台上；（ii）所有准直操作均使用 2 - 10 mW 的激光输出功率。

注意：启动实验装置中的所有电气/光电设备，并在使用前预留 30 分钟预热时间。

1. 准备探测光束光路

  1. 安装并校准探针激光器的光纤准直器。
    1. 将33:67 FC/APC保偏光纤分束器的输入光纤（FS1的T端口）连接至探针激光器的光纤耦合器。将光纤分束器的67%输出光纤（FS1的1端口）连接至光纤准直器（C1）。将光纤准直器固定在六轴运动调节架（Øx, Øy, Øz, x, y, z）上。在光纤准直器后方放置一个功率计，通过调节激光器光纤耦合器的x、y和z调节螺钉，使激光输出功率最大化。
    2. 旋转光纤准直器（或待校准的光学元件），将激光偏振方向调整为S偏振方向，此处S偏振方向垂直于光学平台平面。使用功率计测量激光通过辅助偏振分束器的透射率（最小）或反射率（最大），以确认激光光束为S偏振。
    3. 在距离光学平台相同高度（本实验中为3英寸）处安装两个辅助对准光阑。在整个系统对准过程中，若光束沿系统光轴传播且平行于光学平台，则应保持该高度恒定。在光纤准直器（或待校准的光学元件）后方小于<50 mm的平台安装孔中放置一个光阑。在与第一个光阑共线但距离足够远（大于>300 mm）的另一个平台安装孔中放置第二个光阑。
    4. 通过调节运动调节架的x、y、Øx和Øy调节螺钉，使光纤准直器（或待校准的光学元件）的输出光束与两个光阑中心共轴，从而沿系统光轴对准光束。
  2. 搭建开普勒式光束扩束器。
    1. 将一个透镜（L1，焦距f1 = 25 mm）安装在固定光学支架中。
    2. 按照步骤1.1.3的方法安装两个辅助对准光阑。精细调节透镜的横向位置和俯仰角，使透射光束与两个光阑中心共轴。
    3. 将第二个透镜（L2，焦距f2 = 50 mm）安装在固定光学支架中。将支架底座连接至与系统光轴对齐的线性平移台。将平移台放置在距离第一透镜f1+f2的位置处。按照步骤1.2.2所述方法对透镜进行对准。
    4. 在第二个透镜后方放置一个剪切干涉仪，以确认光束已准直。沿系统光轴方向平移第二个透镜，直至干涉条纹与剪切干涉仪扩散板上的参考线平行。
  3. 折叠光束扩束器的输出光束。
    1. 将一个反射镜（M1）安装在具有俯仰（Øx）和偏摆（Øy）调节功能的运动调节架上。将反射镜方向调整为相对于C1-L1-L2光轴成45o角。
    2. 按照步骤1.1.3的方法安装两个辅助对准光阑。调节反射镜支架的Øx和Øy调节螺钉，使反射光束与定义系统光轴的两个光阑中心共轴。
  4. 设置样品照明光学系统。
    1. 在距折叠反射镜（M1）约150 mm处，将一个零级四分之一波片（λ1/4）安装在六轴运动调节架（Øx, Øy, Øz, x, y, z）中，预留足够空间以便在波片前放置偏振片（P），如步骤2.7所述。将波片相对于其快轴旋转45o，以获得圆偏振态。
    2. 将一个聚焦透镜（L3，焦距f3 = 30 mm）安装在与波片相同的运动调节架中。按照步骤1.1.3–4的方法对通过透镜的光束进行对准。
  5. 设置样品的收集光学系统。
    1. 在距聚焦透镜（L3）约60 mm处，将一个六轴运动调节架（Øx, Øy, Øz, x, y, z）安装在差分线性平移台上。将一个零级四分之一波片（λ2/4）安装在该运动调节架中。将波片相对于其快轴旋转45o，并按照步骤1.1.2的方法确认激光光束为S偏振。
    2. 将一个收集透镜（L4，焦距f4 = 30 mm）安装在与波片相同的运动调节架中。按照步骤1.1.3–4的方法对通过透镜的光束进行对准。按照步骤1.2.4所述方法确认光束已准直。
    3. 将一个偏振分束立方体（PBS）安装在具有俯仰（Øx）和偏摆（Øy）调节功能的运动调节架上，并将其置于波片后方（如图1所示）。按照步骤1.1.3的方法安装两个辅助对准光阑。调节分束器支架的Øx和Øy调节螺钉，使反射光束与定义系统光轴的两个光阑中心共轴。

2. 准备泵浦光束光学路径

  1. 安装并准直泵浦激光器的光纤准直器。
    1. 将泵浦激光器放大端口的光纤连接至光纤准直器（C2)。按照1.1.3至1.1.4节所述，安装并准直泵浦激光器的光纤准直器。
  2. 将泵浦波长调谐至铷-85 D2线Fg = 3 吸收线
    1. 将一个铷-85蒸气池放置在泵浦激光器的光纤准直器后方（C2).
    2. 在蒸气池后方放置一个辅助光电探测器，用于测量泵浦光束通过蒸气池后的透射光强。将光电探测器连接至示波器。按下示波器上的“Autoset”按钮，以自动设置来自光电探测器读出信号的幅度和时间波形。
    3. 将激光器波长粗略设定在铷D2吸收线780.24 nm处，方法是调节激光控制器上的温度旋钮，使辅助光电探测器测得通过铷原子池的透射光强达到最小（参见步骤2.2.2）。将激光器温度设定在所确定的数值。
    4. 将函数发生器的输出端连接至泵浦激光器控制器的电流调制输入端。
    5. 将函数发生器的三角波输出连接至激光控制器的电流调制输入端，以缓慢扫描激光波长，覆盖60 pm（30 GHz）的范围。为此，按下函数发生器上的“Channel Select”按钮，选择通道1。接着，按下“Ramp”按钮，然后按下“Continuous”按钮，将该通道设置为输出三角波形。按下“Amplitude”快捷键，将波形幅度设为2.25 Vpp（峰峰值电压），再按下“Frequency/Period”快捷键，将波形频率设为5 mHz。最后，按下“On”按钮，开启函数发生器的该通道输出。
    6. 尽可能精确地确定使泵浦波长达到铷-85 D2 能级的当前电流值Fg 通过使用辅助光电探测器测量铷池中的最小光透射率来确定 85Rb D1 线的吸收峰（见步骤 2.2.2）。通过调节激光控制器上的电流旋钮，将激光电流设置为已确定的数值。移除铷池和辅助光电探测器。最后，断开函数发生器与激光控制器电流调制输入端的连接。
  3. 安装并校准激光谱线净化滤光片。
    1. 将激光线净化滤光片（反射式布拉格滤光片；BF）置于带有俯仰调节（Ø）的运动学镜架中x）和偏航（Øy) 调整位于光纤准直器（C）250 mm 处的距离2).
    2. 将功率计置于滤光片的透射（反射）光路中，通过绕俯仰轴旋转滤光片以匹配布拉格入射角，从而最小化（最大化）光束功率（8o 在此设置中）。精细调节 Øx 和 Øy 调整运动学安装座的螺丝以优化对准。
    3. 使用两面镜子（M）将从滤光片反射出的光束折返，使其方向与滤光片输入端的光束平行2，M3安装在带有俯仰和偏航调节功能的运动学支架上。
    4. 按照1.1.3节中的步骤安装两个辅助对准光阑。调节Øx 和 Øy 拧紧两个镜架上的螺丝，直至从第二面镜子反射的光束与定义系统光轴的两个光阑中心共轴。
  4. 安装并校准声光调制器。
    1. 安装并校准透镜（L5, f5 = 100 mm）将泵浦光束聚焦至声光调制器（AOM），具体操作如1.2.2节所述。透镜调整完毕后，轻柔取下透镜L5 在将声光调制器（AOM）安装到位之前，应先将其从支架上取下，以避免对AOM造成损坏。
    2. 将AOM安装到五轴平台（Øx Øy，x，y，z）距离聚焦透镜（L 约 100 mm 处5确保通过调制器入口窗口传播的泵浦光为S偏振光（见2.1.2），以优化调制器性能。
    3. 使用50-Ω同轴电缆将调制器驱动器的射频输出端连接到调制器的射频输入端。打开驱动器电源，按下驱动器上的“Mode”按钮，使声光调制器工作在连续波模式。
    4. 在调制器输出端后放置一个功率计，仅测量一级衍射光束的功率。通过绕俯仰轴（Ø）旋转调制器，调节调制器的布拉格角，以最大化一级衍射光束的功率。x).
    5. 精细调整聚焦透镜（L5) 固定于支架上，将泵浦光束聚焦至调制器中，以实现所需的快速上升/下降时间（在此装置中，聚焦光束直径约为 50 µm 时，上升/下降时间约为 10 ns）。调节 x、y、z、Øx 和 Øy 调节调制器安装平台的螺丝，以最大化一级衍射光束的功率。
    6. 使用两面镜子（M）将调制器输出端的光束折叠至与调制器输入端光束方向平行4，M5) 安装在带有俯仰（Ø）调节功能的运动学支架上x）和偏航（Øy）调整，如 2.3.3-4 节所述。
    7. 安装并校准第二个透镜（L6, f6 = 200 mm）处，距离为 f5+f6 从调制器输入端的聚焦透镜处准直经调制的泵浦光束，具体如1.2.3-4节所述。该透镜与调制器输入端的聚焦透镜共同构成泵浦光束的开普勒式光束扩束器，用于在聚焦到样品（S）之前匹配泵浦光束与探测光束的光束直径。
  5. 设置泵浦光P偏振光学系统。将一个零级半波片（λ/2）安装在可旋转镜架中，并将其置于泵浦光束的开普勒式扩束系统第二透镜后方（L6）。旋转波片以将光束调整为P偏振方向，此处P偏振方向平行于光学平台平面。使用功率计通过辅助偏振分束器测量激光透射率（反射率）的最大值（最小值），以确认激光光束为P偏振。
  6. 在波片输出端折叠光束并进行横向移动。
    1. 安装一面镜子（M6) 在带有俯仰角（Øx）和偏航（Øy) 调整位于半波片（λ/2）50 mm 距离处的装置。将运动学支架的支柱底座连接至与系统光轴对齐的线性平移台。将反射镜方向调整为 45o 相对于沿λ/2-PBS元件的光轴方向。
    2. 调整从反射镜和偏振分束器反射的光束，具体方法见1.3.1-2。使用激光观察卡确认通过偏振分束器的泵浦光束与探测光束的光路共线。
    3. 将反射镜沿垂直于泵浦-探测聚焦透镜（L）光轴的方向平移 3 mm4 - L3以产生偏离光轴的泵浦照明，照射样品（S），从而最大限度地减少杂散泵浦光反射。
  7. 在探针光路中设置泵浦光阻断光学元件。将线性偏振器（P）安装在可旋转支架上，并将其置于折叠镜（M）之间。1）以及第一块波片（λ1在探针光路中，距离每个组件约75 mm处放置/4波片。旋转偏振器，以最小化（泵浦光束）或最大化（探针光束）透射。

3. 准备检测泵浦和探测激光器频率失谐的方案

  1. 设置探针激光器和泵浦激光器的光纤系统。
    1. 将50:50 FC/APC保偏光纤分束器的输入光纤（FS2的端口1）连接至泵浦激光器非放大输出端的光纤耦合器。使用对接套筒将探针光纤分束器的33%输出光纤（FS1的端口2）连接至泵浦光纤分束器的50%输入光纤（FS2的端口2）。
    2. 使用光功率计测量50:50泵浦光纤分束器输出光纤（FS2的T端口）的光功率，并确保总光功率<10 mW，以防止光纤耦合光电探测器（FPD）饱和。将50:50泵浦光纤分束器的输出光纤（FS2的T端口）连接至高速光纤耦合光电探测器的输入端。
  2. 将快响应光电探测器的K型公头直接连接至微波频率计数器（FC）的GHz频段K型母头。

4. 设置受激布里渊增益/损耗探测器

  1. 准备铷-85蒸气池。
    1. 用导热垫完全包裹整个蒸气池。将加热带缠绕在蒸气池边缘。在蒸气池中心放置一个热电偶以监测加热温度。确保热电偶不与加热带接触。将热电偶连接至温度计以读取蒸气池温度。
    2. 用聚四氟乙烯胶带将整个蒸气池包裹，以固定加热带和热电偶，并使蒸气池与外界环境实现热隔离。在蒸气池两端边缘处留出加热带的端头以便连接。将加热带的两根引线连接至0–30 V、5 A的直流电源。
    3. 将蒸气池安装在偏振分束棱镜（PBS）的反射光路中。确保探测光束照射到蒸气池的中心位置。
    4. 在蒸气池前安装一个光阑（I）。打开光阑，使探测光束能够完全通过。该光阑有助于最小化泵浦光的杂散反射。
  2. 设置光电探测器。
    1. 将光电探测器（PD）放置在铷蒸气池后方。该光电探测器封装在铝盒内，包含一个大面积光电二极管和一个自制的RC低通滤波器（R = 1 kΩ，C = 0.1 µF），用于降低反向偏置电压的噪声。使用激光观察卡确保探测光束照射到光电二极管的中心。
    2. 使用50 Ω同轴电缆将光电二极管的阴极连接至0–30 V、5 A的直流电源。通过调节电源上的电压旋钮，施加25 V的反向偏压，使光电二极管工作于光电导模式，以实现高频信号检测。
  3. 设置锁相放大器。
    1. 使用50 Ω同轴电缆将光电探测器连接至带宽为1.9 MHz的50 Ω同轴低通滤波器（LPF）。将同轴低通滤波器的输出直接连接至锁相放大器（LIA）的信号输入端。按下锁相放大器上的“Sig-Z In”按钮，将信号输入阻抗设置为50 Ω。
    2. 使用50 Ω同轴电缆将函数发生器的通道1连接至锁相放大器的参考输入端。按下函数发生器上的“Channel Select”按钮并选择通道1。接着按下“Sine”按钮，然后按下“Continuous”按钮，将该通道设置为输出正弦波形。按下“Amplitude”快捷按钮，将波形幅度设为0.7 Vpp；再按下“Frequency/Period”快捷按钮，将波形频率设为fm=1.1 MHz。
    3. 使用50 Ω同轴电缆将函数发生器的通道2连接至声光调制器驱动器的外部模拟输入端。按照4.3.2节的步骤，将通道2设置为输出1 Vpp、fm=1.1 MHz的正弦波形。
    4. 按下函数发生器上的“On”按钮，开启通道1和通道2，并通过按下函数发生器上的“Align Phase”边框按钮锁定两通道之间的相位关系。
    5. 将声光调制器驱动器的“Mode”按钮切换至“Normal”状态。此时泵浦光束已以fm=1.1 MHz的频率实现光学调制。

5. 系统的最终准备与性能优化

  1. 设置数据采集单元。
    1. 使用同轴电缆将微波频率计数器（FC）的模拟输出连接到数据采集单元（DAQ）的一个模拟输入端。按下频率计数器上的“DAC”、“1”和“0”按钮，将频率读数精度设置为10 MHz。该通道用于监测泵浦-探测光之间的频率失谐。
    2. 使用同轴电缆将锁相放大器（LIA）的“X”输出端连接到数据采集单元的第二个模拟输入端。按下锁相放大器上“X”通道的“Output”按钮以激活该通道。此通道用于监测受激布里渊增益（SBG）信号的强度。
    3. 使用BNC-T型接头将函数发生器的一个输出通道分成两个独立通道。使用同轴电缆将其中一个通道连接到探测激光器控制器的电流调制输入端，另一个通道连接到数据采集单元的第三个模拟输入端。利用第二个通道采集探测激光器的电流调制信号。
    4. 将数据采集单元的USB输出端连接至计算机。在数据采集软件包中编写程序，用于可视化并记录来自数据采集单元的上述信号14。
  2. 将水样安装至测量腔室。
    1. 使用自制的500 µm厚玻璃腔室装入去离子水。该腔室由两片直径为25 mm、厚度为0.17 mm的圆形玻璃盖玻片构成，其间由一条500 µm厚的聚四氟乙烯胶带隔开。
    2. 将腔室支架安装在三轴电动平移台上。将测量腔室放入支架中，并通过电动平移台将其移动至探测光和泵浦光聚焦透镜（分别为L3和L4）的共同焦点位置。
  3. 加热铷原子池。
    1. 佩戴适用于780 nm激光的激光防护眼镜。通过调节锥形放大器控制器上的电流旋钮，并使用功率计测量样品前的激光功率，将泵浦激光功率提高至>250 mW。
    2. 按下锁相放大器上的“Settle Up/Down”按钮，将锁相放大器（LIA）的时间常数设置为1 s。按下“Filter Slope Up/Down”按钮，将锁相放大器的低通滤波器设置为24 dB/oct。按下“Sens Up/Down”按钮，将锁相放大器的灵敏度设置为1 mVrms。使用锁相放大器的“Align Phase”功能，通过按下“Shift”和“Phase”按钮，调节放大器参考输入与信号输入之间的相位差至零。
    3. 通过观察锁相放大器“X”通道的读数，监测杂散泵浦光的反射。
    4. 通过轻微调节激光控制器上的电流旋钮，将泵浦光波长重新调谐至铷-85 D2 Fg = 3吸收线，以在锁相放大器的“X”通道上获得最小的杂散泵浦反射读数。
    5. 将连接至加热带的电源设置为17 V直流电压，使铷原子池升温至90 oC。等待数分钟，直至温度计读数稳定在目标池温。注意：在加热过程中，锁相放大器“X”通道上观测到的信号读数应迅速下降（由于原子池吸收显著增加）。
  4. 测量并优化水中的SBG信号。
    1. 通过调节激光控制器上的电流旋钮，并使用功率计测量样品前的激光功率，将探测激光功率提高至>10 mW。
    2. 通过调节探测激光控制器上的温度旋钮，并使用功率计测量铷原子池后的最小激光功率，粗略地将探测光波长调谐至铷-85 D2Fg = 3吸收线。
    3. 通过调节探测激光控制器上的电流旋钮，精细调节探测光波长，使其略长于泵浦光波长，直至使用功率计在铷原子池后测得>10 mW且大致恒定的激光功率。注意：若探测光波长短于泵浦激光波长，则铷-85原子池的附加吸收带会显著降低原子池输出端的探测光功率。
    4. 通过调节探测激光控制器上的电流旋钮，并观察频率计数器（FC）上的频率失谐读数，将泵浦光与探测光之间的频率失谐设置为匹配水的布里渊频移（约5 GHz）。注意：对于负（正）一阶衍射光束，这些读数应比布里渊频移大（小）声光调制器的射频驱动频率（本实验系统中为210 MHz）。
    5. 将锁相放大器的灵敏度设置为100 µVrms，并按照步骤5.3.3中的程序调节放大器参考输入与信号输入之间的相位差至零。
    6. 通过以下方式优化泵浦光与探测光的交叉效率：(i) 精细调节泵浦光折叠镜（M6）的运动学支架上的Øx和Øy调节螺丝；(ii) 沿系统光轴轻微平移泵浦光聚焦透镜（L4）。
    7. 通过阻断探测光并测量锁相放大器“X”通道上杂散泵浦反射的水平是否保持不变，确认锁相放大器“X”通道上较高的信号读数主要来源于增强的SBG信号，而非杂散泵浦反射。
    8. 重复步骤5.4.6–7，直至SBG信号达到最大值（>2 µVrms），同时保持杂散泵浦反射处于不变的最低水平。

6. 测量并分析SBG光谱

  1. 建立探针调制电流与泵浦-探测频率失谐之间的校准曲线。
    1. 通过调节探针激光器控制器上的电流旋钮，将泵浦激光器与探针激光器之间的频率失谐设置为 5 GHz（接近水的布里渊频移）。
    2. 在微波频率计数器（FC）上按下“RES”和“5”按钮，将门控时间设为 1 ms，从而在连续的频率失谐测量之间提供 100 ms 的采样间隔。按照步骤 2.2.5 的程序，向探针激光器控制器的电流调制输入端施加一个三角波，波形幅值和频率参数分别为 150 mVpp 和 50 mHz。这将使探针波长（因而泵浦-探测频率失谐）在 2 GHz 范围内缓慢扫描。
    3. 将数据采集单元（DAQ）的采样率设置为 100 样本/秒/通道，并使用自编的数据采集程序记录来自数据采集单元的泵浦-探测频率失谐和探针激光器调制电流信号，持续 20 秒（覆盖 4–6 GHz 范围）。
    4. 将测量数据导入计算软件程序中。使用线性模型拟合泵浦-探测频率失谐数据。注意：也可采用更高阶的多项式拟合（由于泵浦-探测频率失谐测量存在非线性）。同时对探针激光器调制电流数据进行线性拟合。
    5. 在计算软件程序中，将泵浦-探测频率失谐的拟合值作为探针调制电流拟合值的函数进行存储，从而生成校准曲线。
  2. 高速测量 SBG 谱。
    1. 安装待测样品（S），例如实验中使用的去离子水，安装方法如 5.2.1–2 所述。重复执行步骤 5.4.1–8。
    2. 通过按动锁相放大器（LIA）上的“Settle Up/Down”按钮，将锁相放大器的时间常数设置为 ≥100 µs。按照步骤 2.2.5 的程序，向探针激光器控制器的电流调制输入端施加一个三角波，波形幅值和频率参数分别为 150 mVpp 和 50 Hz。这将使探针波长（因而泵浦-探测频率失谐）在 2 GHz 范围内快速扫描。
    3. 将数据采集单元（DAQ）的采样率设置为 ≤100,000 样本/秒/通道，并使用自编的数据采集程序记录来自数据采集单元的 SBG 信号和探针激光器调制电流信号，持续 ≥10 ms（覆盖 4–6 GHz 范围）。
  3. 可视化并分析 SBG 谱。
    1. 将步骤 6.2.6 中记录的测量数据导入计算软件程序中。
    2. 通过在校准曲线（存储于步骤 6.1.5 中）中查找对应的数值，将测得的探针激光器调制电流值转换为泵浦-探测频率失谐值。
    3. 从谱中减去平均噪声基底，并通过将 SBG 测量值对泵浦-探测频率失谐值作图，可视化 SBG 谱。
    4. 使用洛伦兹曲线对谱进行拟合。对于洛伦兹参数的初始估计，使用谱中最高点的幅值、频率位置和半高全宽。
    5. 通过提取洛伦兹拟合曲线的最大值频率位置和半高全宽，分别计算待测样品的布里渊频移和线宽。

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

结果

图2b 和 3b 显示典型点 SBG 光谱的蒸馏水和脂质乳剂组织仿体样本（具有 2.25 次散射事件和 45 cm⁻¹ 的衰减系数）-1) 分别在10毫秒和100毫秒内测得。作为对比，我们测得了如图所示的10秒内的SBG光谱 图2a 和 3a. 在这些测量中，将铷-85蒸气池加热至 90 °C 用于将杂散泵浦反射减弱约10倍4 并进行传递 >95% 的探针光；该水平在超过 1 h 的时间内保持稳定11空间分辨率，此处定义为从焦点检测到的受激布里渊散射强度的横向半高全宽，估计约为 8 µm10在水和组织仿体中，由快速采集的光谱获得的平均布里渊频移分别为 5.08 GHz 和 5.11 GHz。这些布里渊频移估计值与通过 10 秒记录光谱计算的结果以及先前发表的水样布里渊数据相当。

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

讨论

如图1所示，该系统设计为构建在一块18英寸×24英寸的光学面包板上，可垂直安装于光学平台上，便于放置水相样品。因此，在以离轴几何结构照射样品之前，必须牢固拧紧所有光学和机械元件，并确保泵浦光和探测光与各个元件共线且同心。

由于过强的杂散泵浦光反射可能掩盖水样微弱的受激布里渊增益信号（约10-6），导致观察受激布里渊增益信号存在困难。为解决这些潜在问题，首先应确保样品腔位于探测光和泵浦光聚焦透镜（分别为L3和L4）的共同焦点位置。随后，略微关闭置于铷原子池前的光阑（I），和/或轻微平移泵浦光束的折叠镜（M6），以进一步消除杂散泵浦光反射的检测。需注意，这些操作也会降低布里渊信号强度，但可能为检测水中受激布里渊增益信号提供更佳的起始条件。若仍无法检测到信号，可改用甲醇或二硫化碳，其布里渊增益显著强于水8,10。此外，对于非浑浊样品的测量，也可采用更厚...

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

IR 感谢 Azrieli 基金会授予的博士奖学金。

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
探头半导体二极管激光器头及控制器Toptica PhotonicsSYST DL-100-DFB数量：1
泵浦放大半导体二极管激光器及控制器Toptica PhotonicsSYST TA-pro-DFB数量：1
FC/APC光纤对接口Toptica PhotonicsFiberDock 数量：3
高功率单模保偏FC/APC光纤跳线Toptica PhotonicsOE-000796数量：1
带可调准直光学元件的FC/APC光纤准直器Toptica PhotonicsFiberOut数量：1
FC/APC光纤固定准直器OZ OpticsHPUCO-33A-780-P-6.1-AS数量：1
单模保偏光纤分束器 33:67OZ OpticsFOBS-12P-111-4/125-PPP-780-67/33-40-3A3A3A-3-1数量：1
单模保偏光纤分束器 50:50OZ OpticsFOBS-12P-111-4/125-PPP-780-50/50-40-3S3A3A-3-1数量：1
f=25 mm，Ø1/2"消色差双合透镜，SM05螺纹安装，增透膜范围：650-1050 nmThorlabsAC127-025-B-ML数量：1
f=30 mm，Ø1"消色差双合透镜，SM1螺纹安装，增透膜范围：650-1050 nmThorlabsAC254-30-B-ML数量：2
f=50 mm，Ø1"消色差双合透镜，SM1螺纹安装，增透膜范围：650-1050 nmThorlabsAC254-50-B-ML数量：1
f=100 mm，Ø1"消色差双合透镜，SM1螺纹安装，增透膜范围：650-1050 nmThorlabsAC254-100-B-ML数量：1
f=200 mm，Ø1"消色差双合透镜，SM1螺纹安装，增透膜范围：650-1050 nmThorlabsAC254-200-B-ML数量：1
Ø1/2"宽带介质镜，750-1100 nmThorlabsBB05-E03数量：4
Ø1"宽带介质镜，750-1100 nmThorlabsBB1-E03数量：2
1"偏振分束立方体，780 nmThorlabsPBS25-780数量：1
Ø1"带N-BK7保护窗的线性偏振片，600-1100 nmThorlabsLPNIRE100-B数量：1
剪切干涉仪，配备1-3 mm光束直径剪切板ThorlabsSI035数量：1
六轴锁定运动学光学支架ThorlabsK6XS数量：4
紧凑型五轴平台ThorlabsPY005数量：1
五轴平台用立柱安装适配器ThorlabsPY005A2数量：1
Polaris低漂移Ø1/2"运动学镜架，3个调节螺钉ThorlabsPOLARIS-K05数量：4
Ø1"光学元件透镜安装座ThorlabsLMR1数量：5
外SM1螺纹和内SM05螺纹适配器，厚度0.40"ThorlabsSM1A6T数量：1
Ø1"光学元件旋转安装座ThorlabsRSP1数量：2
1"运动学棱镜支架ThorlabsKM100PM数量：1
带刻度环驱动的SM1可调光阑ThorlabsSM1D12C数量：1
立柱安装可调光阑，最大孔径Ø12.0 mmThorlabsID12数量：2
1/2"带标准千分尺的平移台ThorlabsMT1数量：3
Ø1"立柱支柱，8-32螺纹孔，L = 1"ThorlabsRS1P8E数量：1
Ø1"立柱支柱，8-32螺纹孔，L = 1.5"ThorlabsRS1.5P8E数量：2
Ø1"立柱支柱，8-32螺纹孔，L = 2"ThorlabsRS2P8E数量：4
Ø1"立柱支柱，8-32螺纹孔，L = 2.5"ThorlabsRS2.5P8E数量：1
Ø1"立柱支柱，8-32螺纹孔，L = 3"ThorlabsRS3P8E数量：4
短型夹持叉ThorlabsCF125数量：12
安装底座ThorlabsBA1S数量：8
大V型夹具，带PM4夹紧臂，2.5"长，英制ThorlabsVC3C数量：1
Ø1/2"立柱支架，弹簧加载六角锁紧手拧螺丝，L = 1"ThorlabsPH1数量：2
Ø1/2"立柱支架，弹簧加载六角锁紧手拧螺丝，L = 1.5"ThorlabsPH1.5数量：2
Ø1/2"立柱支架，弹簧加载六角锁紧手拧螺丝，L = 2"ThorlabsPH2数量：6
Ø1/2"不锈钢光学立柱，8-32紧定螺钉，1/4"-20螺纹孔，L = 1"ThorlabsTR1数量：2
Ø1/2"不锈钢光学立柱，8-32紧定螺钉，1/4"-20螺纹孔，L = 1.5"ThorlabsTR1.5数量：2
Ø1/2"不锈钢光学立柱，8-32紧定螺钉，1/4"-20螺纹孔，L = 2"ThorlabsTR2数量：6
铝制光学平台 18" × 24" × 1/2"，1/4"-20螺纹孔ThorlabsMB1824数量：1
12"面包板垂直支架，1/4"-20孔，单件ThorlabsVB01数量：2
硅光电二极管，上升时间40 ns，响应波长400 - 1100 nm，有效面积10 mm × 10 mmThorlabsFDS1010数量：1
零级波片，1/4波长，780 nmTower OpticsZ-17.5-A-.250-B-780数量：2
零级波片，1/2波长，780 nmTower OpticsZ-17.5-A-.500-B-780数量：1
光纤耦合超高速光电探测器Newport1434数量：1
万向光学镜架NewportU100-G2H ULTIMA数量：3
行程25 mm的线性平移台Newport M-423 数量：1
可锁差分千分尺，粗调25 mm，微调0.2 mm，负载11 lbNewport DM-25L数量：1
XYZ电动线性平移台Applied Scientific InstrumentationLS-50数量：3
平移台控制器Applied Scientific InstrumentationMS-2000数量：1
样品 holder自制定制数量：1
85铷熔融石英光谱池，带平面增透膜窗口，长度150 mm，直径25 mmPhotonics TechnologiesSC-RB85-25x150-Q-AR数量：1
导热垫 300 mm × 300 mmBERGQUISTQ3AC 300MMX300MM SHEET数量：1
加热带 0.15 mm × 2.5  mm × 5 m，4.29  W/mKANTHAL8908271数量：1
聚四氟乙烯胶带 1/2'' × 12 m特氟龙胶带R.G.D数量：1
反射式布拉格光栅带通滤波器OptiGrateSPC-780数量：1
高频声光调制器Gooch and Housego15210数量：1
声光调制器射频驱动器，频率：210 MHz Gooch and HousegoMHP210-1ADS2-A1数量：1
高频锁相放大器 Stanford Research SystemsSR844数量：1
频率计数器Phase MatrixEIP 578B数量：1
任意波形发生器TektronixAFG2021数量：2
数据采集（DAQ）模块National InstrumentsNI USB-6212 BNC数量：1
数据采集（DAQ）软件 National InstrumentsLabVIEW 2014数量：1
稳压直流电源  双通道 0-30V 5AMEILIMCH-305D-ii数量：1
热电偶MRCTP-01数量：1
温度计MRCTM-5007数量：1
同轴低通滤波器 DC-1.9 MHzMini CircuitsBLP-1.9+数量：1
20% 脂质乳剂Sigma-AldrichI141-100ml数量：1
圆形盖玻片，直径25 mm，厚度：1 #Menzel Glaser150285数量：1
计算软件 MathWorksMATLAB 2015a

参考文献

  1. Koski, K. J., Akhenblit, P., McKiernan, K., Yarger, J. L. Non-invasive determination of the complete elastic moduli of spider silks. Nat. Mater. 12 (3), 262-267 (2013).
  2. Palombo, F., Madami, M., Stone, N., Fioretto, D. Mechanical mapping with chemical specificity by confocal Brillouin and Raman microscopy. Analyst. 139 (4), 729-733 (2014).
  3. Scarcelli, G., Yun, S. H. In vivo Brillouin optical microscopy of the human eye. Opt. Exp. 20 (8), 9197-9202 (2012).
  4. Scarcelli, G., et al. Noncontact three-dimensional mapping of intracellular hydromechanical properties by Brillouin microscopy. Nat. Methods. 12 (12), 1132-1134 (2015).
  5. Traverso, A. J., Thompson, J. V., Steelman, Z. A., Meng, Z., Scully, M. O., Yakovlev, V. V. Dual Raman-Brillouin microscope for chemical and mechanical characterization and imaging. Anal. Chem. 87 (15), 7519-7523 (2015).
  6. Antonacci, G., Foreman, M. R., Paterson, C., Török, P. Spectral broadening in Brillouin imaging. Appl. Phys. Lett. 103 (22), 221105(2013).
  7. Antonacci, G., et al. Quantification of plaque stiffness by Brillouin microscopy in experimental thin cap fibroatheroma. J. R. Soc. Interface. 12 (112), 20150483(2015).
  8. Grubbs, W. T., MacPhail, R. A. High resolution stimulated Brillouin gain spectrometer. Rev. Sci. Instrum. 65 (1), 34-41 (1994).
  9. Ballmann, C. W., Thompson, J. V., Traverso, A. J., Meng, Z., Scully, M. O., Yakovlev, V. V. Stimulated Brillouin scattering microscopic imaging. Sci Rep. 5, 18139(2015).
  10. Remer, I., Bilenca, A. Background-free Brillouin spectroscopy in scattering media at 780 nm via stimulated Brillouin scattering. Opt. Lett. 41 (5), 926-929 (2016).
  11. Remer, I., Bilenca, A. High-speed stimulated Brillouin scattering spectroscopy at 780 nm. APL Photonics. 1 (6), 061301(2016).
  12. She, C. Y., Moosmüller, H., Herring, G. C. Coherent light scattering spectroscopy for supersonic flow measurements. Appl. Phys. B-Lasers O. 46 (4), 283-297 (1988).
  13. Fiore, A., Zhang, j, Peng Shao,, Yun, S. H., Scarcelli, G. High-extinction virtually imaged phased array-based Brillouin spectroscopy of turbid biological media. Appl. Phys. Lett. 108 (20), 203701(2016).
  14. Taking a Measurement with Your Computer. , Available from: http://www.ni.com/webcast/1673/en (2014).

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

重印与许可

申请许可以重复使用本 JoVE 文章的文本或图表

申请许可

标签

相关文章