用于布里渊散射分析的高速亚千兆赫光谱仪

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。