Name: 用于材料分析的高速连续波受激布里渊散射光谱仪 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-09-22T12:30:00.000+00:00
Duration: 7 min 55 s
Description: 学习构建高速连续波受激布里渊散射光谱仪，用于快速获取透明与非透明样品的透射光谱。该方法采用单频二极管激光器和原子蒸气陷波滤波器，实现比现有系统快100倍的数据采集速度，同时保持高光谱分辨率，为神经科学和生物物理学中的生物材料力学研究提供先进技术手段。

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IR 感谢 Azrieli 基金会授予的博士奖学金。

<ol><li>Koski, K. J., Akhenblit, P., McKiernan, K., Yarger, J. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Non-invasive+determination+of+the+complete+elastic+moduli+of+spider+silks%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Mater%22%5BJournal%5D)">Non-invasive determination of the complete elastic moduli of spider silks.</a> Nat. Mater. 12 (3), 262-267 (2013).</li>
<li>Palombo, F., Madami, M., Stone, N., Fioretto, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mechanical+mapping+with+chemical+specificity+by+confocal+Brillouin+and+Raman+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Analyst%22%5BJournal%5D)">Mechanical mapping with chemical specificity by confocal Brillouin and Raman microscopy.</a> Analyst. 139 (4), 729-733 (2014).</li>
<li>Scarcelli, G., Yun, S. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+vivo+Brillouin+optical+microscopy+of+the+human+eye%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Exp%22%5BJournal%5D)">In vivo Brillouin optical microscopy of the human eye.</a> Opt. Exp. 20 (8), 9197-9202 (2012).</li>
<li>Scarcelli, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Noncontact+three-dimensional+mapping+of+intracellular+hydromechanical+properties+by+Brillouin+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Methods%22%5BJournal%5D)">Noncontact three-dimensional mapping of intracellular hydromechanical properties by Brillouin microscopy.</a> Nat. Methods. 12 (12), 1132-1134 (2015).</li>
<li>Traverso, A. J., Thompson, J. V., Steelman, Z. A., Meng, Z., Scully, M. O., Yakovlev, V. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dual+Raman-Brillouin+microscope+for+chemical+and+mechanical+characterization+and+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Anal.+Chem%22%5BJournal%5D)">Dual Raman-Brillouin microscope for chemical and mechanical characterization and imaging.</a> Anal. Chem. 87 (15), 7519-7523 (2015).</li>
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<li>Antonacci, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quantification+of+plaque+stiffness+by+Brillouin+microscopy+in+experimental+thin+cap+fibroatheroma%5BTitle%5D)+AND+%22J.+R.+Soc.+Interface%22%5BJournal%5D)">Quantification of plaque stiffness by Brillouin microscopy in experimental thin cap fibroatheroma.</a> J. R. Soc. Interface. 12 (112), 20150483(2015).</li>
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<li>Ballmann, C. W., Thompson, J. V., Traverso, A. J., Meng, Z., Scully, M. O., Yakovlev, V. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Stimulated+Brillouin+scattering+microscopic+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Sci+Rep%22%5BJournal%5D)">Stimulated Brillouin scattering microscopic imaging.</a> Sci Rep. 5, 18139(2015).</li>
<li>Remer, I., Bilenca, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Background-free+Brillouin+spectroscopy+in+scattering+media+at+780+nm+via+stimulated+Brillouin+scattering%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Lett%22%5BJournal%5D)">Background-free Brillouin spectroscopy in scattering media at 780 nm via stimulated Brillouin scattering.</a> Opt. Lett. 41 (5), 926-929 (2016).</li>
<li>Remer, I., Bilenca, A. <a target="_blank" href="http://adsabs.harvard.edu/abs/2016APLP....1f1301R">High-speed stimulated Brillouin scattering spectroscopy at 780 nm.</a> APL Photonics. 1 (6), 061301(2016).</li>
<li>She, C. Y., Moosmüller, H., Herring, G. C. <a target="_blank" href="http://link.springer.com/article/10.1007/BF00686451">Coherent light scattering spectroscopy for supersonic flow measurements.</a> Appl. Phys. B-Lasers O. 46 (4), 283-297 (1988).</li>
<li>Fiore, A., Zhang, j, Peng Shao,, Yun, S. H., Scarcelli, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-extinction+virtually+imaged+phased+array-based+Brillouin+spectroscopy+of+turbid+biological+media%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">High-extinction virtually imaged phased array-based Brillouin spectroscopy of turbid biological media.</a> Appl. Phys. Lett. 108 (20), 203701(2016).</li>
<li>Taking a Measurement with Your Computer. , Available from:
 <a target="_blank" href="http://www.ni.com/webcast/1673/en">http://www.ni.com/webcast/1673/en</a> (2014).</li>
</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

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...

近年来，自发布里渊光谱技术已成为对液体、真实组织、组织模拟物和生物细胞等软材料进行力学分析的一种重要方法1,2,3,4,5,6,7。在该方法中，单束激光照射样品，介质中由自发热声波引起的非弹性散射光被光谱仪收集，从而提供有关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）。在布里渊背向散射几何构型中，布里渊频率相对于激发激光频率偏移数GHz，且具有数百MHz的谱线宽度。
尽管扫描式法布里-珀罗光谱仪一直是获取软物质自发布里渊光谱的首选系统1,2，但虚拟成像相位阵列（VIPA）光谱仪的近期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，我们介绍了一种不同的高速、高光谱分辨率、高精度布里渊光谱仪的构建方法，该方法基于在近后向散射几何结构下检测来自非浑浊和浑浊样品的连续波受激布里渊散射（CW-SBS）光。
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的放大或衰减现象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效应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中本征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。
连续波布里渊散射（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光谱测量，所用激光器需为单频激光器（&lt; 10 MHz 线宽）并具有足够宽的波长调谐范围（20 - 30 GHz）和扫描速率（&gt; 200 GHz/s），长期频率稳定性（&lt;50 MHz/h）和低强度噪声。此外，泵浦光束（探测光束）需要在样品上具有数百毫瓦（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，我们选用了分布式反馈（DFB）二极管激光器，并将其耦合至保偏光纤，同时结合受激布里渊增益/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相调制锁相放大器，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信号即嵌入于其中。11注意，我们SBS光谱仪中使用的原子蒸气陷波滤光片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（VIPA光谱仪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）水平低至10-6 在 &lt;35 MHz 布里渊频移测量精度，且在 100 毫秒或更短时间内完成。
<img alt="激光光谱示意图，显示与85Rb原子相互作用；包含分束器、声光调制器（AOM）和光路。" src="/files/ftp_upload/55527/55527fig1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图1"> 
图1：连续波受激布里渊散射（CW-SBS）光谱仪。 两束连续波泵浦和探测半导体激光器（DL），其频率在样品的布里渊频移附近进行失谐，分别通过准直器C1和C2耦合进保偏单模光纤。泵浦光与探测光之间的频率差通过一组光纤分束器（FS）、快速光电探测器（FPD）和频率计数器（FC）检测从泵浦和探测激光器分出的光束之间的拍频来测量。S偏振的探测光束（浅红色），经开普勒式扩束镜（L1和L2）扩束后，由四分之一波片（λ1/4）转换为右旋圆偏振，并由消色差透镜（L3）聚焦到样品（S）上。为了实现有效的SBS相互作用并提供光学隔离，泵浦光束（深红色）经另一组开普勒式扩束镜（L5和L6）扩束后，首先通过半波片（λ2/4）调整为P偏振，然后穿过偏振分束器（PBS），再经四分之一波片（λ2/4）转换为左旋圆偏振，最后由消色差透镜（L4；与L3相同）聚焦到样品上。需要注意的是，泵浦光和探测光在样品中几乎反向传播，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。为了实现锁相检测，泵浦光通过声光调制器（AOM）在频率fm处进行正弦调制。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。为了显著抑制光电二极管中的杂散泵浦反射光，使用了窄带布拉格滤波器（BF）和围绕泵浦波长的原子陷波滤波器（85RB），并配合使用光屏蔽光阑（I）。数据由连接至个人计算机（PC）的数据采集卡（DAQ）记录，用于后续对布里渊光谱的分析。所有折叠反射镜（M1–M6）用于将整个光谱仪系统安装在一块垂直固定于光学平台上的18''×24''面包板上，以便于水相样品的放置。<a href="http://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/55527/55527fig1large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>

<table><tbody><tr><td>探头半导体二极管激光器头及控制器</td><td>Toptica Photonics</td><td>SYST DL-100-DFB</td><td>数量：1</td></tr><tr><td>泵浦放大半导体二极管激光器及控制器</td><td>Toptica Photonics</td><td>SYST TA-pro-DFB</td><td>数量：1</td></tr><tr><td>FC/APC光纤对接口</td><td>Toptica Photonics</td><td>FiberDock&amp;nbsp;</td><td>数量：3</td></tr><tr><td>高功率单模保偏FC/APC光纤跳线</td><td>Toptica Photonics</td><td>OE-000796</td><td>数量：1</td></tr><tr><td>带可调准直光学元件的FC/APC光纤准直器</td><td>Toptica Photonics</td><td>FiberOut</td><td>数量：1</td></tr><tr><td>FC/APC光纤固定准直器</td><td>OZ Optics</td><td>HPUCO-33A-780-P-6.1-AS</td><td>数量：1</td></tr><tr><td>单模保偏光纤分束器 33:67</td><td>OZ Optics</td><td>FOBS-12P-111-4/125-PPP-780-67/33-40-3A3A3A-3-1</td><td>数量：1</td></tr><tr><td>单模保偏光纤分束器 50:50</td><td>OZ Optics</td><td>FOBS-12P-111-4/125-PPP-780-50/50-40-3S3A3A-3-1</td><td>数量：1</td></tr><tr><td>f=25 mm，&amp;Oslash;1/2&quot;消色差双合透镜，SM05螺纹安装，增透膜范围：650-1050 nm</td><td>Thorlabs</td><td>AC127-025-B-ML</td><td>数量：1</td></tr><tr><td>f=30 mm，&amp;Oslash;1&quot;消色差双合透镜，SM1螺纹安装，增透膜范围：650-1050 nm</td><td>Thorlabs</td><td>AC254-30-B-ML</td><td>数量：2</td></tr><tr><td>f=50 mm，&amp;Oslash;1&quot;消色差双合透镜，SM1螺纹安装，增透膜范围：650-1050 nm</td><td>Thorlabs</td><td>AC254-50-B-ML</td><td>数量：1</td></tr><tr><td>f=100 mm，&amp;Oslash;1&quot;消色差双合透镜，SM1螺纹安装，增透膜范围：650-1050 nm</td><td>Thorlabs</td><td>AC254-100-B-ML</td><td>数量：1</td></tr><tr><td>f=200 mm，&amp;Oslash;1&quot;消色差双合透镜，SM1螺纹安装，增透膜范围：650-1050 nm</td><td>Thorlabs</td><td>AC254-200-B-ML</td><td>数量：1</td></tr><tr><td>&amp;Oslash;1/2&quot;宽带介质镜，750-1100 nm</td><td>Thorlabs</td><td>BB05-E03</td><td>数量：4</td></tr><tr><td>&amp;Oslash;1&quot;宽带介质镜，750-1100 nm</td><td>Thorlabs</td><td>BB1-E03</td><td>数量：2</td></tr><tr><td>1&quot;偏振分束立方体，780 nm</td><td>Thorlabs</td><td>PBS25-780</td><td>数量：1</td></tr><tr><td>&amp;Oslash;1&quot;带N-BK7保护窗的线性偏振片，600-1100 nm</td><td>Thorlabs</td><td>LPNIRE100-B</td><td>数量：1</td></tr><tr><td>剪切干涉仪，配备1-3 mm光束直径剪切板</td><td>Thorlabs</td><td>SI035</td><td>数量：1</td></tr><tr><td>六轴锁定运动学光学支架</td><td>Thorlabs</td><td>K6XS</td><td>数量：4</td></tr><tr><td>紧凑型五轴平台</td><td>Thorlabs</td><td>PY005</td><td>数量：1</td></tr><tr><td>五轴平台用立柱安装适配器</td><td>Thorlabs</td><td>PY005A2</td><td>数量：1</td></tr><tr><td>Polaris低漂移&amp;Oslash;1/2&quot;运动学镜架，3个调节螺钉</td><td>Thorlabs</td><td>POLARIS-K05</td><td>数量：4</td></tr><tr><td>&amp;Oslash;1&quot;光学元件透镜安装座</td><td>Thorlabs</td><td>LMR1</td><td>数量：5</td></tr><tr><td>外SM1螺纹和内SM05螺纹适配器，厚度0.40&quot;</td><td>Thorlabs</td><td>SM1A6T</td><td>数量：1</td></tr><tr><td>&amp;Oslash;1&quot;光学元件旋转安装座</td><td>Thorlabs</td><td>RSP1</td><td>数量：2</td></tr><tr><td>1&quot;运动学棱镜支架</td><td>Thorlabs</td><td>KM100PM</td><td>数量：1</td></tr><tr><td>带刻度环驱动的SM1可调光阑</td><td>Thorlabs</td><td>SM1D12C</td><td>数量：1</td></tr><tr><td>立柱安装可调光阑，最大孔径&amp;Oslash;12.0 mm</td><td>Thorlabs</td><td>ID12</td><td>数量：2</td></tr><tr><td>1/2&quot;带标准千分尺的平移台</td><td>Thorlabs</td><td>MT1</td><td>数量：3</td></tr><tr><td>&amp;Oslash;1&quot;立柱支柱，8-32螺纹孔，L = 1&quot;</td><td>Thorlabs</td><td>RS1P8E</td><td>数量：1</td></tr><tr><td>&amp;Oslash;1&quot;立柱支柱，8-32螺纹孔，L = 1.5&quot;</td><td>Thorlabs</td><td>RS1.5P8E</td><td>数量：2</td></tr><tr><td>&amp;Oslash;1&quot;立柱支柱，8-32螺纹孔，L = 2&quot;</td><td>Thorlabs</td><td>RS2P8E</td><td>数量：4</td></tr><tr><td>&amp;Oslash;1&quot;立柱支柱，8-32螺纹孔，L = 2.5&quot;</td><td>Thorlabs</td><td>RS2.5P8E</td><td>数量：1</td></tr><tr><td>&amp;Oslash;1&quot;立柱支柱，8-32螺纹孔，L = 3&quot;</td><td>Thorlabs</td><td>RS3P8E</td><td>数量：4</td></tr><tr><td>短型夹持叉</td><td>Thorlabs</td><td>CF125</td><td>数量：12</td></tr><tr><td>安装底座</td><td>Thorlabs</td><td>BA1S</td><td>数量：8</td></tr><tr><td>大V型夹具，带PM4夹紧臂，2.5&quot;长，英制</td><td>Thorlabs</td><td>VC3C</td><td>数量：1</td></tr><tr><td>&amp;Oslash;1/2&quot;立柱支架，弹簧加载六角锁紧手拧螺丝，L = 1&quot;</td><td>Thorlabs</td><td>PH1</td><td>数量：2</td></tr><tr><td>&amp;Oslash;1/2&quot;立柱支架，弹簧加载六角锁紧手拧螺丝，L = 1.5&quot;</td><td>Thorlabs</td><td>PH1.5</td><td>数量：2</td></tr><tr><td>&amp;Oslash;1/2&quot;立柱支架，弹簧加载六角锁紧手拧螺丝，L = 2&quot;</td><td>Thorlabs</td><td>PH2</td><td>数量：6</td></tr><tr><td>&amp;Oslash;1/2&quot;不锈钢光学立柱，8-32紧定螺钉，1/4&quot;-20螺纹孔，L = 1&quot;</td><td>Thorlabs</td><td>TR1</td><td>数量：2</td></tr><tr><td>&amp;Oslash;1/2&quot;不锈钢光学立柱，8-32紧定螺钉，1/4&quot;-20螺纹孔，L = 1.5&quot;</td><td>Thorlabs</td><td>TR1.5</td><td>数量：2</td></tr><tr><td>&amp;Oslash;1/2&quot;不锈钢光学立柱，8-32紧定螺钉，1/4&quot;-20螺纹孔，L = 2&quot;</td><td>Thorlabs</td><td>TR2</td><td>数量：6</td></tr><tr><td>铝制光学平台 18&quot; × 24&quot; × 1/2&quot;，1/4&quot;-20螺纹孔</td><td>Thorlabs</td><td>MB1824</td><td>数量：1</td></tr><tr><td>12&quot;面包板垂直支架，1/4&quot;-20孔，单件</td><td>Thorlabs</td><td>VB01</td><td>数量：2</td></tr><tr><td>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 mm</td><td>Thorlabs</td><td>FDS1010</td><td>数量：1</td></tr><tr><td>零级波片，1/4波长，780 nm</td><td>Tower Optics</td><td>Z-17.5-A-.250-B-780</td><td>数量：2</td></tr><tr><td>零级波片，1/2波长，780 nm</td><td>Tower Optics</td><td>Z-17.5-A-.500-B-780</td><td>数量：1</td></tr><tr><td>光纤耦合超高速光电探测器</td><td>Newport</td><td>1434</td><td>数量：1</td></tr><tr><td>万向光学镜架</td><td>Newport</td><td>U100-G2H ULTIMA</td><td>数量：3</td></tr><tr><td>行程25 mm的线性平移台</td><td>Newport</td><td>&amp;nbsp;M-423&amp;nbsp;</td><td>数量：1</td></tr><tr><td>可锁差分千分尺，粗调25 mm，微调0.2 mm，负载11 lb</td><td>Newport</td><td>&amp;nbsp;DM-25L</td><td>数量：1</td></tr><tr><td>XYZ电动线性平移台</td><td>Applied Scientific Instrumentation</td><td>LS-50</td><td>数量：3</td></tr><tr><td>平移台控制器</td><td>Applied Scientific Instrumentation</td><td>MS-2000</td><td>数量：1</td></tr><tr><td>样品 holder</td><td>自制</td><td>定制</td><td>数量：1</td></tr><tr><td>85铷熔融石英光谱池，带平面增透膜窗口，长度150 mm，直径25 mm</td><td>Photonics Technologies</td><td>SC-RB85-25x150-Q-AR</td><td>数量：1</td></tr><tr><td>导热垫 300 mm × 300 mm</td><td>BERGQUIST</td><td>Q3AC 300MMX300MM SHEET</td><td>数量：1</td></tr><tr><td>加热带 0.15 mm × 2.5&amp;nbsp; mm × 5 m，4.29&amp;nbsp; W/m</td><td>KANTHAL</td><td>8908271</td><td>数量：1</td></tr><tr><td>聚四氟乙烯胶带 1/2'' × 12 m</td><td>特氟龙胶带</td><td>R.G.D</td><td>数量：1</td></tr><tr><td>反射式布拉格光栅带通滤波器</td><td>OptiGrate</td><td>SPC-780</td><td>数量：1</td></tr><tr><td>高频声光调制器</td><td>Gooch and Housego</td><td>15210</td><td>数量：1</td></tr><tr><td>声光调制器射频驱动器，频率：210 MHz&amp;nbsp;</td><td>Gooch and Housego</td><td>MHP210-1ADS2-A1</td><td>数量：1</td></tr><tr><td>高频锁相放大器&amp;nbsp;</td><td>Stanford Research Systems</td><td>SR844</td><td>数量：1</td></tr><tr><td>频率计数器</td><td>Phase Matrix</td><td>EIP 578B</td><td>数量：1</td></tr><tr><td>任意波形发生器</td><td>Tektronix</td><td>AFG2021</td><td>数量：2</td></tr><tr><td>数据采集（DAQ）模块</td><td>National Instruments</td><td>NI USB-6212 BNC</td><td>数量：1</td></tr><tr><td>数据采集（DAQ）软件&amp;nbsp;</td><td>National Instruments</td><td>LabVIEW 2014</td><td>数量：1</td></tr><tr><td>稳压直流电源&amp;nbsp; 双通道 0-30V 5A</td><td>MEILI</td><td>MCH-305D-ii</td><td>数量：1</td></tr><tr><td>热电偶</td><td>MRC</td><td>TP-01</td><td>数量：1</td></tr><tr><td>温度计</td><td>MRC</td><td>TM-5007</td><td>数量：1</td></tr><tr><td>同轴低通滤波器 DC-1.9 MHz</td><td>Mini Circuits</td><td>BLP-1.9+</td><td>数量：1</td></tr><tr><td>20% 脂质乳剂</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>I141-100ml</td><td>数量：1</td></tr><tr><td>圆形盖玻片，直径25 mm，厚度：1 #</td><td>Menzel Glaser</td><td>150285</td><td>数量：1</td></tr><tr><td>计算软件&amp;nbsp;</td><td>MathWorks</td><td>MATLAB 2015a</td><td></td></tr></tbody></table>

用于材料分析的高速连续波受激布里渊散射光谱仪

High-speed Continuous-wave Stimulated Brillouin Scattering Spectrometer for Material Analysis

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&lt;10 MHz，布里渊频移测量精度优于&lt;35 MHz，测量时间小于&lt;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。

图2b 和 3b 显示典型点源 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 用于减弱杂散泵浦反射约10倍4 并进行传递 &gt;95% 的探针光；该水平在超过 1 小时内保持稳定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在水和组织模拟物中，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性样品布里渊数据相当。9</s...

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。

近年来，自发布里渊光谱仪在软物质的无接触分析中得到了显著增长的应用，例如……

本实验的目标是构建并运行一台连续波受激布里渊散射光谱仪，以高光谱分辨率和高速度获取浑浊和非浑浊样品的透射式受激布里渊光谱。该方法可推动布里渊光谱技术和成像在细胞与组织等生物材料力学研究中的应用。该技术的主要优势在于能够快速获取浑浊和非浑浊物质的布里渊光谱。开始实验前，需确认受激布里渊散射（CW-SBS）光谱仪的各个组件已牢固安装在光学平台上。检查自定义数据采集软件是否正在接收来自微波频率计数器、锁相放大器、泵浦与探测激光控制器以及函数发生器的数据。随后，用蒸馏水填充样品室，样品室由两个直径为25毫米、厚度为0.17毫米的玻璃盖玻片和厚度为500微米的聚四氟乙烯胶带构成。将样品室固定架安装在三轴电动平移台上。将水样固定在样品室固定架中。移动样品，使其位于泵浦光和探测光聚焦透镜的共同焦点位置。然后调节锥形放大器泵浦激光器控制器的电流调节旋钮，直至泵浦激光功率高于 250 毫瓦。将锁相放大器的时间常数设为 1 秒，低通滤波器设为 24 分贝每倍频程，灵敏度设为 1 毫伏均方根值。将放大器参考信号与输入信号之间的相位偏移设为零。在监测通道一上的泵浦光杂散反射时，缓慢调节泵浦激光器的电流，直至观察到的反射信号达到最小。然后将铷蒸汽池加热装置的电源设置为17伏直流电压。当铷蒸汽池温度稳定在90摄氏度时，将功率计置于探测激光聚焦透镜前。缓慢调节探测激光器的电流，直至测得的功率超过10毫瓦。接下来，将功率计移至铷原子池后方。调节探测激光器的温度，直至测得的功率达到最小值。然后调节探测激光器的电流，直至测得的功率稳定在10毫瓦以上。调节探测激光器的电流，使泵浦激光器与探测激光器之间的频率失谐接近样品的布里渊频移。将锁相放大器的灵敏度设置为100微伏均方根，并将相位偏移重新设为零。然后仔细调节泵浦光折叠镜的俯仰和偏转调节螺丝，并沿系统光轴移动泵浦聚焦透镜，以优化泵浦激光与探测激光的交叉效率。遮挡探测光束，并在监测锁相放大器的第一通道时记录杂散泵浦激光反射的水平。必须有效抑制来自腔室和样品的泵浦光杂散反射。如有需要，可略微收窄铷原子池前方的光阑，并略微增大泵浦激光与探测激光之间的交叉角度，以改善反射抑制效果。解除探针光束的遮挡，继续调整泵浦激光镜和聚焦透镜，直至受激布里渊增益信号的均方根值达到两微伏以上，且杂散泵浦反射光处于恒定的最低水平。当系统针对样品优化完成后，通过绘制探测调制电流与泵浦-探测频率失谐之间的关系图，建立校准曲线。将锁相放大器的时间常数设置为大于或等于100微秒。将连接至激光控制器电流调制输入端的函数发生器设置为通道一。选择三角波形，将幅度设置为峰峰值电压150毫伏，频率设置为50赫兹。将数据采集单元的采样率设置为每通道每秒不超过100,000个样本。使用自定义的数据采集软件，记录至少 10 毫秒的 SBG 和探针激光器调制电流信号。将采集到的数据导入计算软件中。利用校准曲线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。减去平均噪声基底。将SBG测量值相对于泵浦-探测频率失谐值作图，以生成SBG谱。使用谱峰的幅度、频率位置以及半高全宽作为初始值，通过洛伦兹曲线对谱形进行拟合。根据洛伦兹拟合的峰值频率位置和半高全宽，分别计算布里渊频移和谱线宽度。利用重复洛伦兹拟合光谱得到的数值生成相应的直方图。采用该方法生成了去离子水和脂质乳液组织仿体样品的布里渊光谱，空间分辨率约为八微米。水样品的采集时间为10秒和10毫秒，脂质样品的采集时间为10秒和100毫秒。根据快速采集的光谱确定的平均布里渊频移值，水为5.08吉赫兹，组织模拟物为5.11吉赫兹。这些值与通过10秒采集的光谱计算得到的结果以及文献报道的数值一致。对每个样品进行了200次连续测量，并评估了估计的布里渊频移分布的标准偏差。水样品和组织样品的标准偏差分别为8.5兆赫和33兆赫。观看本视频后，您应能够充分理解如何组装和操作受激布里渊散射光谱仪，以在透射模式下快速测量水和类组织样品的受激布里渊增益谱。

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