用于材料分析的高速连续波受激布里渊散射光谱仪

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。