Name: 高速的sub-GHz光谱仪激布里渊散射分析 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-12-22T15:00:00.000+00:00
Duration: 13 min 31 s
Description: 学习构建高速布里渊光谱仪，利用级联VIPA标准具实现快速测量。该方法可在低光功率下对生物组织和生物材料进行无创在体分析，为组织生物力学研究提供新工具。

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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。

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
<ol>
	<li>在光学平台上确定约 1,600 mm 的自由对准空间用于安装光谱仪。</li>
	<li>将 EMCCD 相机安装在自由对准空间的末端。
	<ol>
		<li>使用紧定螺钉将相机固定在支架上。将支架拧入支架座中，并调整至所需的光轴高度。使用平台夹具将支架座固定在光学平台上。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>打开 EMCCD 相机。注意避免相机饱和。
	<ol>
		<li>在实验室计算机上安装相机软件，并将相机连接至计算机。</li>
		<li>关闭增益并设置较低的积分时间（约 0.01 秒）。开始采集 EMCCD 图像。在计算机屏幕上观察相机图像。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>在相机前方约 1,600 mm 处安装光纤准直器。
	<ol>
		<li>将光纤准直器放入光纤准直器适配器中。</li>
		<li>将适配器安装到支架上。将支架拧入支架座中，高度大致与光轴齐平（即相机高度）。使用平台夹具将支架座固定在光学平台上。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>沿光轴对准输出光束。
	<ol>
		<li>使用紧定螺钉将标准光阑连接至支架。将支架拧入支架座中。</li>
		<li>将光阑放置在光纤准直器前方（<50 mm）。调节光阑高度使其与光束对齐。沿期望的光轴方向移动光阑，使其正对相机中心。</li>
		<li>若相机出现饱和，在激光输出端后立即插入一个光学密度滤光片。利用光纤准直器支架上的调节螺钉，使光束沿光轴对准。当对准完成后，光束将沿整个光路无遮挡地通过光阑。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>在相机前方安装一对匹配的消色差透镜（f=30 mm）。</li>
</ol>
2. 光谱仪的水平台
<ol>
	<li>安装水平遮罩。
	<ol>
		<li>使用紧定螺钉将水平遮挡板固定在支架上。将支架拧入支架固定座中。将支架固定座安装在平移台上，使遮挡板可在光路中水平滑入或滑出。图1)</li>
		<li>使用内六角螺钉将平移台固定在光学平台上，使掩模在消色差透镜组的焦距（f=30 mm）处清晰成像于CCD相机上。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>将球面透镜 S1（f=200 mm）安装在水平掩模前方 600 mm 处，并进行准直。
	<ol>
		<li>使用紧定螺钉将S1固定到接杆座上。将接杆拧紧至接杆座中。</li>
		<li>按照1.5.1节所述安装两个光阑。在将S1放入光路之前，在预期S1位置（水平遮罩前方600 mm处）之前和之后各插入一个光阑。调节光阑的高度，使光束能够清晰地通过这两个光阑。</li>
		<li>将 S1 置于水平遮罩前方 600 mm 处（图1调节S1的高度和角度，直至透镜的后向反射光和出射光束均能清晰地通过光阑。使用平台夹具将固定S1的支架座紧固在光学平台上。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>将VIPA2安装在球面透镜的焦平面处（位于S1前方200 mm处）。
	<ol>
		<li>使用支架附带的螺丝将 VIPA 支架安装到支杆上。将支杆拧紧至支杆架中。将支杆架固定到水平平移台上。图1)</li>
		<li>将VIPA2小心放入VIPA支架中，确保入射狭缝垂直取向。图1)</li>
		<li>精细调节VIPA支架的位置，使其恰好位于S1的焦平面内。（通过白卡追踪光束腰斑进行检查。）</li>
		<li>使用内六角螺钉将平移台固定在光学平台上，并利用平移台的自由度将VIP A2从光路中移出。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>将球面透镜 S2（f=200 mm）安装在 VIPA 后方 200 mm 处，并位于水平掩模前方 200 mm 处，进行安装与对准。操作步骤参照 2.2.1–2.2.3 节所述。不同之处在于，不将支架座固定于光学平台，而是将其安装在平移台上，并使平移台的自由度方向沿光轴方向。图1使用内六角螺钉将平移台固定在光学平台上。</li>
	<li>使用水平平移台（2.3.4）将 VIPA2 的入口滑入光路中。在相机图像上观察垂直线。
	<ol>
		<li>使用安装在2.4中的平移台微调S2，直至相机图像中的垂直线清晰。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>通过VIPA支架的水平倾斜自由度和位移平台调整光谱。利用水平平移自由度调节光束进入法布里-珀罗标准具的入射位置，利用水平倾斜自由度调节光束进入标准具的入射角度。</li>
	<li>测量精细度和通量。
	<ol>
		<li>按下 F5 键拍摄图像，或者也可以点击左上角的“acquisition setup”，然后在相机软件中选择“take image”选项来拍摄图像。</li>
		<li>右键单击图像，选择“线图”选项。水平拖动光标穿过图像以生成线图。松开光标以查看生成的线图。</li>
		<li>使用线状图测量精细度。将相邻两个峰之间的距离除以它们的半高全宽（FWHM）。目标为 &gt;30.</li>
		<li>通过在VIPA2前后使用功率计测量功率来确定通量。目标为 &gt;50%.</li>
		<li>使用VIPA支架（2.6）上的自由度调节入射光束至标准具的入射角，并观察精细度与通量之间的权衡关系。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>如果精细度和通量不理想，请返回并微调准直。确保VIP A2位于S1的焦平面内。重复步骤2.3.3–2.7。</li>
</ol>
3. 光谱仪的垂直平台
<ol>
	<li>使用平移台（2.3.4）将已在第2部分中完成对准的VIPA（VIPA2）移出光路。此时，光谱仪的水平级将表现为一个1:1成像系统。</li>
	<li>安装垂直掩模。
	<ol>
		<li>使用紧定螺钉将垂直遮挡板固定在支架杆上。将一支架杆拧紧至直角支架夹具适配器中。将第二支支架杆拧入直角适配器，并插入支架杆固定座。将支架杆固定座安装到垂直平移台上，使遮挡板可在光路中垂直滑动进出。图1)</li>
		<li>使用内六角螺钉将垂直平移台固定在光学平台上，使得垂直掩模清晰成像于S1前方200 mm处的EMCCD相机上。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>将柱面透镜 C1（f=200 mm）安装在垂直掩模前方 600 mm 处，并进行对准。
	<ol>
		<li>将柱面透镜架拧到支杆上，拧紧支杆使其固定在支杆架中。小心地将C1放入透镜架内，并拧紧螺丝以固定。</li>
		<li>按照1.5.1节所述安装两个光阑。在将C1放入光路之前，在理想S1位置（垂直遮挡物前方600 mm处）之前和之后各插入一个光阑。调节光阑的高度，使光束能够干净地通过这两个光阑。</li>
		<li>将 C1 置于垂直遮罩前方 600 mm 处（图1). 谨慎调节C1的高度、倾斜角度和横向位置，直至透镜的后向反射光和出射光束均对准光阑中心。使用平台夹具将固定C1的支架座紧固在光学平台上。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>将 VIPA1 安装在柱面透镜的焦平面处（位于 C1 前方 200 mm 处）。
	<ol>
		<li>使用支架附带的螺丝将VIPA支架安装到支杆上。将支杆拧紧至支杆固定座中。将支杆固定座固定到垂直平移台上。图1)</li>
		<li>将 VIPA1 小心放入 VIPA 持架中，确保入射狭缝呈水平方向。图1)</li>
		<li>微调VIPA支架的位置，使VIPA1精确位于C1的焦平面内。（通过白卡追踪光束腰斑进行检查。）</li>
		<li>使用内六角螺钉将垂直平移台固定在光学平台上，并利用平移台的自由度将VIP A1从光路中移出。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>将柱面透镜 C2（f=200 mm）安装并准直于 VIPA1 后方 200 mm 处，且位于垂直掩模前方 200 mm 处，操作步骤参照 3.3.1–3.3.3。不将支架座固定于光学平台上，而是将其安装在平移台上，并使平移台的自由度方向沿光轴方向。图1使用顶丝将平移台固定在光学平台上。</li>
	<li>使用平移调节装置（3.4.4）将 VIPA1 入口滑入光路。在相机图像上观察水平线。
	<ol>
		<li>使用安装在3.5中的平移台微调C2，直至相机图像中的水平线清晰。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>使用VIPA支架的垂直倾斜自由度和位移平台调整光谱。利用垂直平移自由度调节光束进入法布里-珀罗标准具的入射位置，利用垂直倾斜自由度调节光束进入标准具的入射角度。</li>
	<li>测量精细度和通量。
	<ol>
		<li>按照步骤 2.7.1 - 2.7.2 操作，在相机屏幕图像上生成一条垂直的线图。</li>
		<li>使用线形图，通过将两条水平线之间的距离除以它们的半高全宽（FWHM）来测量精细度。目标为 &gt; 40.</li>
		<li>通过在VIPA1前后使用功率计测量功率来测定通量。目标为 &gt;30%.</li>
		<li>使用VIPA支架（3.7）上的垂直倾斜自由度，调节入射到标准具的光束垂直输入角度。观察精细度与通量之间的权衡关系。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>如果精细度和通量不理想，请返回并微调准直。确保 VIPA1 位于 C1 的焦平面内。重复步骤 3.4.3–3.8。</li>
</ol>
4. 两个阶段的结合与最终对齐
<ol>
	<li>插入 VIPA2。观察水平和垂直方向上排列的点状图案。这些点是单频激光的光谱特征。调节 VIPA 的平移台，直至点状图案清晰聚焦。</li>
	<li>测量光谱仪的精细度和通量。
	<ol>
		<li>按照步骤 2.7.1–2.7.2 生成一条穿过两个激光点的对角线线图。</li>
		<li>使用线图通过将两点之间的对角线距离除以它们的半高全宽（FWHM）来测量精细度。目标为 &gt;30.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>搭建一个暗箱以容纳光谱仪。
	<ol>
		<li>使用构造导轨搭建箱体骨架，该骨架应完全包覆从光纤准直器到CCD相机的整个光谱仪（63英寸 × 9英寸 × 15英寸）。</li>
		<li>用遮光布覆盖盒子框架，并在角落处用胶带封紧。确保面罩和VIPAs易于取用。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>将光纤连接至标准光学探头，例如反射式共聚焦显微镜4标准光学探头用于收集后向散射光时，会携带布里渊信号。</li>
</ol>
5. 测量布里渊频移
<ol>
	<li>关闭垂直和水平遮罩，直至激光信号消失。相应地调节平移台。</li>
	<li>开启增益，并尽可能增加相机的积分时间，但不得使EMCCD相机达到饱和。</li>
	<li>观察样品的布里渊频移。
	<ol>
		<li>将样品置于共聚焦显微镜（或其他光学探针）的焦点处。空间分辨率取决于共聚焦显微镜所使用的物镜。液体样品使用塑料培养皿或比色皿。首次测量时使用甲醇。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>为优化光谱仪的通量，依次打开一个遮罩，并通过倾斜VIPA并调节其平移台来扫描光谱仪的各级次。找到信号最强的级次。再次关闭遮罩，直至激光信号消失。对另一个遮罩和VIPA重复此过程（见2.6和3.7节）。</li>
	<li>对样品进行测量。
	<ol>
		<li>按照步骤2.7.1获取光谱图像。</li>
		<li>通过获取水和玻璃（或其他已知布里渊频移的样品）的光谱图像进行校准测量。单击左上角的“file”并选择“save as”保存图像。若数据分析在相机软件中进行，则将图像保存为“.sif”格式；若数据分析在其他计算软件中进行，则保存为“.tif”格式。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
6. 布里渊光谱的校准与分析
<ol>
	<li>确定布里渊光谱仪的自由光谱范围（FSR）以及EMCCD像素到光频的转换比率（PR）。
	<ol>
		<li>在相机软件或其它计算软件程序中加载数据。</li>
		<li>按照步骤2.7.2生成水校准图像光谱的线图。</li>
		<li>使用洛伦兹曲线拟合光谱中的两个峰，以确定峰位置（以像素位置表示，PWater-S、PWater-AS）。或者，通过读取峰的最高点手动确定峰位置。</li>
		<li>对玻璃校准图像的光谱重复步骤6.1.2–6.1.3。</li>
		<li>作为步骤6.1.1–6.1.4的替代方法，可将两个EMCCD帧叠加，并一次性拟合全部四个峰。（图2）</li>
		<li>使用公式1计算PR。代入步骤6.1.3和6.1.4中确定的PWater-AS 和PGlass-AS的值。ΩGlass-AS已知为29.3 GHz。由于自由光谱范围仅为20 GHz，因此频率偏移将表现为混叠，等效为9.3 GHz。为简化计算，ΩGlass-AS可使用9.3 GHz，ΩWater-AS使用7.46 GHz。 
		<img alt="材料分析中相位偏移计算的光谱学公式；显示的公式。" class="jove_content" p="" src="/files/ftp_upload/53468/53468eq1.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="公式1"></li>
		<li>使用公式2计算FSR。代入步骤6.1.6中计算得到的PGlass-S、PGlass-AS和PR的值。ΩGlass-AS使用9.3 GHz。 
		<img alt="自由光谱范围公式；光学光谱分析方法中的\(FSR\)。" class="jove_content" src="/files/ftp_upload/53468/53468eq2.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="公式2"></li>
	</ol>
	</li>
</ol>
<img alt="布里渊光谱分析；显示校准样品光子计数的示意图；光学测量。" class="jove_content" src="/files/ftp_upload/53468/53468fig2.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图2">
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）。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53468/53468fig2large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<ol start="2">
	<li>测定样品的布里渊频移。
	<ol>
		<li>按照步骤 2.7.2 生成样品光谱的线扫描图像。</li>
		<li>使用洛伦兹曲线拟合光谱中的两个峰，以确定峰位置（以像素位置表示）。或者，通过读取峰的最高点手动确定峰位置。</li>
		<li>使用以下公式 4 和公式 5，以及先前计算得到的 FSR 和 PR 值，计算样品的布里渊频移。 
		<img alt="光学共振方程，Ωx-S 和 Ωx-AS，示意图显示光谱学中的频率计算。" class="jove_content" p="" src="/files/ftp_upload/53468/53468eq3.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="公式 3"></li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Brillouin, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Diffusion+de+la+lumiere+et+des+rayonnes+X+par+un+corps+transparent+homogene%3B+influence+del%27agitation+thermique%5BTitle%5D)+AND+%22Ann.+Phys.+%28Paris%29+%22%5BJournal%5D)">Diffusion de la lumiere et des rayonnes X par un corps transparent homogene; influence del'agitation thermique.</a> Ann. Phys. (Paris) . 17, 88-122 (1922).</li>
<li>Scarcelli, G., Yun, S. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Multistage+VIPA+etalons+for+high-extinction+parallel+Brillouin+spectroscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Exp%22%5BJournal%5D)">Multistage VIPA etalons for high-extinction parallel Brillouin spectroscopy.</a> Opt. Exp. 19 (11), 10913-10922 (2011).</li>
<li>Scarcelli, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Confocal+Brillouin+microscopy+for+three-dimensional+mechanical+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Phot%22%5BJournal%5D)">Confocal Brillouin microscopy for three-dimensional mechanical imaging.</a> Nat. Phot. 2 (1), 39-43 (2008).</li>
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</ol>

Giuliano Scarcelli 和 Seok H. Yun 持有与布里渊光谱技术相关的专利。

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。
<p cl...

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。
<img alt="光谱学光学装置示意图；包含用于光谱分析的VIPA和CCD相机。" class="jove_content" p="" src="/files/ftp_upload/53468/53468fig1.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Figure 1"> 
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。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53468/53468fig1large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
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。

<table><tbody><tr><td colspan="4">&lt;strong&gt;OPTICS&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>虚拟像位相阵列（VIPA）</td><td>LIGH MACHINERY</td><td></td><td>数量：2</td></tr><tr><td>带SM-25千分尺的三轴423线性位移台套件</td><td>NEWPORT</td><td>423-MIC&amp;nbsp;</td><td>数量：1</td></tr><tr><td>SS交叉滚柱轴承平移台，0.5英寸，8-32，1/4-20</td><td>NEWPORT</td><td>9066-X</td><td>数量：1</td></tr><tr><td>游标千分尺，行程13&amp;nbsp;mm，负载能力9磅，螺距50.8 TPI</td><td>NEWPORT</td><td>SM-13</td><td>数量：1</td></tr><tr><td>可调宽度狭缝</td><td>NEWPORT</td><td>SV-0.5</td><td>数量：2</td></tr><tr><td>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&amp;nbsp;英寸</td><td>NEWPORT</td><td>DS40-Z</td><td>数量：2</td></tr><tr><td>槽型底板，适配25或40&amp;nbsp;mm至65&amp;nbsp;mm位移台，调节范围1.1英寸</td><td>NEWPORT</td><td>B-2B</td><td>数量：2</td></tr><tr><td>&amp;Oslash;1/2&quot;光学支柱，带8-32紧定螺钉，1/4&quot;-20螺纹孔，L = 2&quot;，5件装</td><td>THORLABS</td><td>TR2-P5</td><td>数量：2</td></tr><tr><td>&amp;Oslash;1/2&quot;支柱固定座，带弹簧加载六角锁紧手拧螺钉，L = 2&quot;，5件装</td><td>THORLABS</td><td>PH2-P5</td><td>数量：1</td></tr><tr><td>&amp;Oslash;1/2&quot;支柱固定座，带弹簧加载六角锁紧手拧螺钉，L = 3&quot;，5件装</td><td>THORLABS</td><td>PH3-P5</td><td>数量：1</td></tr><tr><td>适用于2&quot;光学元件的英制透镜安装座，带8-32螺纹孔</td><td>THORLABS</td><td>LMR2</td><td>数量：2</td></tr><tr><td>f=200.0 mm，&amp;Oslash;2&quot;消色差双合透镜，增透膜：400-700 nm</td><td>THORLABS</td><td>AC254-200-A</td><td>数量：2</td></tr><tr><td>适用于高度不超过1.3&quot;（33&amp;nbsp;mm）矩形光学元件的运动学安装座，右旋</td><td>THORLABS</td><td>KM100C</td><td>数量：2</td></tr><tr><td>固定式柱面透镜安装座，最大光学元件高度：1.60&quot;（40.6 mm）</td><td>THORLABS</td><td>CH1A</td><td>数量：2</td></tr><tr><td>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</td><td>THORLABS</td><td>L1653L1-A</td><td>数量：2</td></tr><tr><td>直角支柱夹具，固定90&amp;deg;转接头</td><td>THORLABS</td><td>RA90</td><td>数量：1</td></tr><tr><td>带外C型螺纹和内SM1螺纹的转接头</td><td>THORLABS</td><td>SM1A9</td><td>数量：1</td></tr><tr><td>带螺柱底座转接头，1/4&quot;-20螺纹</td><td>THORLABS</td><td>PB4</td><td>数量：2</td></tr><tr><td>垫块，2&quot; × 3&quot;，厚度1.000&quot;</td><td>THORLABS</td><td>Ba2S7</td><td>数量：2</td></tr><tr><td>543 nm，f=15.01 mm，NA=0.17 FC/APC光纤准直器</td><td>THORLABS</td><td>F260APC-A</td><td>数量：1</td></tr><tr><td>用于&amp;Oslash;11&amp;nbsp;mm准直器的SM1螺纹转接头</td><td>THORLABS</td><td>Ad11F</td><td>数量：1</td></tr><tr><td>用于&amp;Oslash;1&quot;光学元件的平移透镜安装座，含1个固定环</td><td>THORLABS</td><td>LM1XY</td><td>数量：1</td></tr><tr><td>单模光纤跳线，450 - 600 nm，FC/APC接头，2米长</td><td>THORLABS</td><td>P3-460B-FC-2</td><td>数量：1</td></tr><tr><td>1:1匹配消色差透镜对，f1=30 mm，f2=30 mm，宽带增透膜：400-700 nm</td><td>THORLABS</td><td>MAP103030-A</td><td>数量：1</td></tr><tr><td>SM1螺纹透镜套管&amp;hellip;长度需根据CCD调整，我们使用3.5&amp;nbsp;英寸</td><td>THORLABS</td><td>SM1LXX</td><td>数量：1</td></tr><tr><td>用于&amp;Oslash;1/2&quot;支柱固定座和&amp;Oslash;1&quot;支柱的底座转接头</td><td>THORLABS</td><td>BE1</td><td>数量：8</td></tr><tr><td>用于&amp;nbsp;&amp;Oslash;1/2&quot;支柱固定座和&amp;Oslash;1&quot;支柱的夹持叉</td><td>THORLABS</td><td>CF125</td><td>数量：8</td></tr><tr><td>HW-KIT5 - Mini系列用4-40帽头螺钉及五金套件&amp;nbsp;</td><td>THORLABS</td><td>HW-KIT5</td><td>数量：1</td></tr><tr><td>D20S - 标准光阑，最大孔径&amp;Oslash;20.0 mm&amp;nbsp;</td><td>THORLABS</td><td>D20S</td><td>数量：2</td></tr><tr><td colspan="4">&lt;strong&gt;用于封闭装置&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>25 mm结构导轨，L = 21&quot;</td><td>THORLABS</td><td>XE25L21</td><td>数量：6</td></tr><tr><td>1&quot;结构立方体，带三个1/4&quot;（M6）沉头孔</td><td>THORLABS</td><td>RM1G</td><td>数量：8</td></tr><tr><td>25 mm导轨用直角支架</td><td>THORLABS</td><td>XE25A90</td><td>数量：12</td></tr><tr><td>25 mm结构导轨，L = 15&quot;</td><td>THORLABS</td><td>XE25L15</td><td>数量：4&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>25 mm结构导轨，L = 9&quot;</td><td>THORLABS</td><td>XE25L09</td><td>数量：8</td></tr><tr><td>高性能黑色遮蔽胶带，2&quot; × 60码（50 mm × 55 m）卷</td><td>THORLABS</td><td>T743-2.0</td><td>数量：1</td></tr><tr><td>低剖面T型螺母，1/4&quot;-20螺纹孔，数量：10个</td><td>THORLABS</td><td>XE25T3</td><td>数量：1</td></tr><tr><td>1/4&quot;-20低剖面槽型螺钉（每盒100个）</td><td>THORLABS</td><td>SH25LP38</td><td>数量：1</td></tr><tr><td>60&quot;（宽）× 3码（长）× 0.005&quot;（厚）（1.5 m × 2.7 m × 0.12 mm）遮光布</td><td>THORLABS</td><td>BK5</td><td>数量：1</td></tr><tr><td colspan="4">&lt;strong&gt;相机、激光器和显微镜&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>EMCCD相机</td><td>ANDOR</td><td>iXon Ultra 897</td><td>数量：1</td></tr><tr><td>400 mW单模绿光激光器</td><td>LASER QUANTUM</td><td>torus 532</td><td>数量：1</td></tr><tr><td>研究级倒置显微镜系统&amp;nbsp;</td><td>OLYMPUS</td><td>IX71</td><td>数量：1</td></tr></tbody></table>

用于布里渊散射分析的高速亚千兆赫光谱仪

High Speed Sub-GHz Spectrometer for Brillouin Scattering Analysis

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。

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。
<img alt="显示甲醇、乙醇和聚苯乙烯的斯托克斯与反斯托克斯散射的布里渊光谱图" src="/files/ftp_upload/53468/53468fig3.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图3"> 
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。...

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台并行高消光比、高分辨率的光学布里渊光谱仪。布里渊光谱技术是一种……

该光谱仪的总体目标是测量组织和生物材料的布里渊散射特征。布里渊散射光谱可提供有关材料特性的无接触、无创信息，例如纵向弹性模量。该方法有助于解答组织生物力学中的关键问题。例如，在角膜组织中，我们可测量角膜强度，以辅助圆锥角膜的诊断与治疗。该技术的主要优势在于，我们可以在低光功率下进行光谱分析，从而确保其在活体中应用的安全性，实现生物成像。首先将相机和光纤放置在光学平台上合适的位置。此处，一台E-M-C-C-D相机安装在光路的一端。相机应持续采集图像，并将其显示在监视器上。在相机前方约 1600 毫米处，将一个光纤准直器置于与相机相同的高度。将该准直器连接至单纵模激光器。使用低于0.1毫瓦的激光功率，并通过沿期望的光轴移动光阑来检查光路对准情况。此示意图概述了当前的装置设置。接下来，在相机前方添加一对芳香族透镜。这对匹配的消色差透镜组的焦距为30毫米。现在开始添加用于水平平台的元件。首先，在一个水平平移台上添加一个水平掩模，使其通过消色差透镜成像在相机上。载物台应沿垂直于光束路径的方向移动。在计算机屏幕上监控图像，以确认图像显示出与此照片中相同的清晰边缘。随后准备在水平掩模前方600毫米处放置一个球面透镜。首先，在支架和支架座上各安装两个光阑，以辅助光束准直；将其中一个光阑置于预定透镜位置与水平掩模之间，另一个光阑置于预定透镜位置之后。确保光阑的高度使光束能够无遮挡地穿过这两个光阑。完成对准检查后，继续使用安装在支架上的球面透镜，其焦距为200毫米。使用透镜支架将该透镜置于两个光阑之间的水平掩模前方600毫米处，并固定透镜支架。以下是球面透镜S1就位后装置的示意图。接下来要添加的元件是虚拟成像相位阵列（VIPA）中的第一个。要安装VIPA，需先在光学平台上放置一个水平平移台。在球面透镜前方约200毫米处，调整平移台方向，使其移动方向垂直于光束方向，并在平移台上固定一个安装在支撑杆及支撑杆夹具上的VIPA支架。然后取出待安装的VIPA元件。每个 vipa 都有一个入口狭缝，该狭缝必须针对此 vipa 正确取向。将 vipa 放入 vipa 持架中，使狭缝垂直取向，并微调 vipa 安装座的位置，使 vipa 入口 precisely 位于球面透镜的焦平面上。继续将 VIPA 移出光路，以完成后续的光路搭建。接下来，准备放置第二个球面透镜，将其置于水平方向带光阑的掩模前方 200 毫米处，两侧使用可调光阑进行准直对准。请注意，在示意图中 VIPA 2 被偏移显示，以表明其处于光路之外。使用安装在平移台上的支架，将球面透镜固定在两个光阑之间。在继续操作前，调整平移台的方向，使其沿光路移动。检查透镜的后向反射光是否能顺利通过光阑。同时，检查出射光束是否能顺利通过透镜另一侧的光阑。然后移动 VIPA，使其入口 SL 再次位于光路中。通过调节其安装的平移台位置来完成此操作。当光进入 VIPA 时，观察计算机显示器上相机图像的垂直线。继续调整第二个球面透镜的位置，同时观察显示器上的线条。微调平移台以使线条更加清晰，当线条聚焦时停止调整。接下来，操作 VIPA 持有装置。为调整光谱，使用水平平移自由度来调节光束进入狭缝的位置。在平移入口狭缝时，观察计算机显示器上图像的响应变化。此外，使用水平倾斜自由度来调节光束进入光谱仪的输入角度。再次在计算机屏幕上监控图像，以获取倾斜调整的反馈。此时，光谱仪的水平调节已完成。要设置垂直调节装置，请使用平移台将 VIPA 从光束中移出。接下来，在位于球面透镜前方 200 毫米处的位置，将一个垂直掩模安装在垂直平移台上，以便使掩模能够移出光路。确保该垂直掩模在 CCD 相机上成像清晰。下一个组件将是柱面透镜，位于垂直光阑前方600毫米处。使用支架将一个焦距为200毫米的透镜放置在两个光圈之间。第二个VIPA将安装在圆柱透镜前方200毫米处的垂直平移台上。将VIPA支架置于垂直平移台上，以便将VIPA移出光路。使用支撑杆和支撑杆夹具将VIPA固定到平移台上，并注意使其入射狭缝精确处于水平方向。调整 vipa 的位置，使其精确地位于柱面透镜的焦平面内，然后将其移出光路。最后一个元件是第二个柱面透镜。将平移台放置在垂直掩模前方200毫米处。对于此透镜，将平移台沿光路方向安装，并在平移台上对准第二个柱面透镜。然后返回到最近放置的VIPA（VIPA 1），将其重新移入光路中。利用垂直平移自由度调节光束进入波导的入射位置。在计算机显示器的相机图像上观察调节效果。随后调节垂直倾斜自由度，以优化光束的入射角度。观察计算机显示器，以获取调整效果的反馈。现在将系统的两个阶段组合起来，通过滑动VIPA二，将其第一个安装到光路中。在观察水平和垂直排列的点时，调节 vipa S。当点的光谱特征与单频激光器的光谱特征聚焦一致时，计算机显示器将停止变化。使用该软件中的相机软件拍摄此光谱特征的图像。右键单击图像，选择线图选项。对角拖动光标穿过图像以生成线图。然后释放光标以查看线图，在此示例图中，用于确定精细度的两个必要测量值已标出。首先，测量两个点之间的对角线距离，即自由光谱范围。接着，测量半高全宽。将自由光谱范围除以半高全宽，若比值大于30，则继续后续操作。回到实验台后，用一个覆盖遮光布的箱形框架将光谱仪包围起来（如图所示为另一种设置），在继续操作前，确保掩模和VIPA易于接触。最后，将光纤连接至标准光学探头。本例中，使用共聚焦显微镜。采用未遮盖的装置来演示测量布里昂位移的步骤。首先，选择其中一个待调节的掩模。本例中，通过微米计开始闭合水平方向的掩模。在计算机显示器上观察激光特征。目标是遮挡在角落处可见的激光特征。使用平移台将掩模在水平方向上居中，以帮助遮挡该特征。继续在监视器上观察激光信号的行为。通过反复关闭和移动掩膜，直到信号被完全遮挡。然后对垂直方向的掩膜进行相同的操作。加载样品后，打开垂直位舞台光阑以开始优化垂直位舞台的通量。接着进入垂直位舞台 VIPA，逐一改变 VIPA 的倾斜位置，以在不同输入角度下扫描光谱仪的衍射级次，并停留在信号最锐利的级次处。随后再次关闭光阑，直至激光信号消失。在进行测量之前，使用水平掩模和 VIPA 重复优化过程。以下是测得的甲醇、乙醇和聚苯乙烯的 Brion 光谱。在这些图中，测量数据以蓝色显示。联曲线拟合以红色表示。所用的法布里-珀罗标准具厚度为五毫米，产生的自由光谱范围约为20吉赫兹。积分时间为100毫秒。共进行了100次测量并取平均值。Brion位移与之前发表的结果一致。该直方图显示了在甲醇连续250次测量中得到的Brion位移分布。这些数据有助于确定光谱仪的校准是否处于最佳状态。一台校准良好的光谱仪，在样品上的光照功率为五毫瓦、积分时间为100毫秒的条件下，其标准偏差约为10兆赫。在执行此操作时，需注意在使用激光光或散射光时，应及时调整相机设置。否则，E-M-C-C-D 相机将因饱和而随时间推移性能下降。请务必注意，使用激光器可能具有极高危险性，操作时必须采取预防措施，例如切勿直视激光束，始终佩戴护目镜，并在低于眼睛水平的位置进行光路准直。

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Research

科研

JoVE Journal

Bioengineering

生物工程

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