High-Speed-Dauerstrich-stimulierten Brillouin-Streuung Spektrometer für Materialanalyse

Spontane Brillouin-Spektroskopie wurde eingerichtet, in den letzten Jahren als ein wertvollen Ansatz für die mechanische Analyse von weichen Materialien, wie z. B. Flüssigkeiten, echte Gewebe, Gewebe-Phantome und biologische Zellen^{1,2, 3,4,5,6,7}. Bei diesem Ansatz ein einzelner Laser beleuchtet die Probe und Licht, das von spontanen thermische akustische Wellen im Medium inelastisch gestreut wird durch ein Spektrometer, die nützliche Informationen über die viskoelastischen Eigenschaften der Probe gesammelt. Das spontane Brillouin-Spektrum umfasst zwei Brillouin-Peaks bei der akustischen Stokes und Anti-Stokes Resonanzen des Materials und eine Rayleigh Peak bei den leuchtenden Laser-Frequenz (durch elastisch gestreutes Licht). Für eine Brillouin backscattering Geometrie die Brillouin-Frequenzen werden von einigen GHz von der leuchtenden Laser Frequenz verschoben und spektrale Breite von Hunderten von MHz.

Während Scannen Fabry-Perot-Spektrometern die Systeme wurden der Wahl für den Erwerb der spontane Brillouin-Spektren in weicher Materie^1,2, abgebildet die jüngsten technologischen Fortschritte in nahezu Phase Array (VIPA) Spektrometer konnten deutlich schnellere (unter einer Sekunde) Brillouin-Messungen mit angemessenen Spektralauflösung (Sub-GHz)^3,4,5,6,7. In diesem Protokoll präsentieren wir den Bau eines anders, High-Speed, hohe spektrale Auflösung, genaue Brillouin Spektrometers basiert auf dem Nachweis von continuous-Hohlleiter-stimuliert-Brillouin-Streuung (CW-SBS) Licht nicht trüben und trübe Proben in einer fast zurück Streugeometrie.

In CW-SBS-Spektroskopie überlappen sich Dauerstrich-(CW) Pumpe und Sonde Laser, leicht verstimmt in der Frequenz, in einer Probe, Schallwellen zu stimulieren. Wenn die Frequenzdifferenz zwischen der Pumpe und Sonde strahlen eine besondere akustische Resonanz des Materials entspricht, Verstärkung oder Deamplification des Signals Sonde durch stimulierte Brillouin-Gewinn oder Verlust (SBG/SBL) Prozesse, bzw. erfolgt; Ansonsten erfolgt keine SBS (de) Verstärkung^8,9,10,11. So ein Spektrum der SBG (SBL) können durch die Frequenzdifferenz zwischen den Laser über die materiellen Brillouin-Resonanzen scannen und erkennen die Erhöhung (Senkung) erworben werden, oder gewinnen (Verlust), an der Sonde Intensität durch SBS. Im Gegensatz zu in spontane Brillouin-Streuung, elastischen Streuung Hintergrund ist von Natur aus nicht vorhanden in SBS, ermöglicht hervorragende Brillouin Kontrast in trübe und nicht trüben Proben ohne Notwendigkeit einer Rayleigh Ablehnung Filter als erforderlich in VIPA Spektrometer^10,11,13.

Die wichtigsten Bausteine eines CW-SBS-Spektrometers sind die Pumpe und Sonde Laser und stimulierte Brillouin-Gewinn/Verlust-Detektor. Für hohe spektrale Auflösung, high-Speed CW-SBS-Spektroskopie, die Laser einphasiger sein müssen (< 10 MHz Linewidth) mit ausreichend breiten Wellenlänge Einstellbarkeit (20-30 GHz) und Abtastrate (> 200 GHz/s), langfristige Frequenzstabilität (< 50 MHz/h) und geringer Intensität Lärm. Darüber hinaus linear polarisiert und Beugung begrenzte Laserstrahlen mit Kräften von ein paar hundert (ten) von mW auf der Probe sind erforderlich für die Pumpstrahl (Sonde). Schließlich sollte der stimulierte Brillouin-Gewinn/Verlust-Detektor soll zuverlässig erkennen, schwache nach hinten stimulierte Brillouin Gewinn/Verlust (SBG/SBL) Ebenen (10^-5 - 10^-6) in weicher Materie. Um diese Anforderungen zu erfüllen, wir verteilten Feedback (DFB) Diodenlaser gekoppelt mit Polarisation beibehalten ausgewählt Fasern zusammen mit einen stimulierten Brillouin Gewinn/Verlust Detektor verbindet eine Ultra-Schmalband-atomaren Dampf Notch-Filter und eine hohe Frequenz Single-Modulation Lock-in-Verstärker wie in Abbildung 1dargestellt. Diese Erkennung Regelung verdoppelt sich die Intensität des Signals SBG und erheblich reduzieren Lärm in der Sonde Intensität, wo das Nutzsignal SBG eingebettete¹¹ist. Beachten Sie, dass die Rolle der atomaren Dampf-Kammfilter in unserem SBS-Spektrometer verwendet, die Erkennung von unerwünschten streunende Pumpe Reflexionen deutlich zu reduzieren, anstatt der elastischen Streuung Hintergrund wie bei VIPA-Spektrometern zu verringern, die beide erkennen spontane Rayleigh und Brillouin zerstreut Licht. Unter Verwendung des Protokolls, die unten genau geschildert, ein CW-SBS-Spektrometer kann konstruiert werden, mit der Möglichkeit des Erwerbs von Transmissionsspektren von Wasser und Gewebe Phantome mit SBG so niedrig wie 10^-6 am < 35 MHz Brillouin-Schicht Messgenauigkeit und innerhalb von 100 ms oder weniger.

Abbildung 1: Dauerstrich-stimulierte Brillouin-Streuung (CW-SBS) Spektrometer. Zwei Dauerstrich-Pumpe und Sonde Diodenlaser (DL), Frequenz, um die Brillouin-Verschiebung der Probe, verstimmt sind in Polarisation Aufrechterhaltung Monomode-Fasern mit Kollimatoren C₁ und C₂, gekoppelt. Die Frequenzdifferenz Pumpe-Sonde wird gemessen, indem er erkennt die Schwebungsfrequenz zwischen den Balken von der Pumpe und Sonde Lasern mit einem Satz von Faser-Splitter (FS), einen schnellen Photodetektor (FPD) und einem Frequenzzähler (FC) geschält. Der S-polarisierte Sonde Strahl (hellrot), mit einer Keplerschen Beam Expander (L₁ und L₂), stimmt zirkular polarisiert durch eine Viertel-Wellenlängen-Platte (λ₁4) erweitert und konzentrierte sich auf die Probe (S) durch eine achromatische Linse (L₃). Für SBS Zusammenwirken und optische Isolierung der Pumpe Strahl (dunkelrot), mit einer Keplerschen Beam Expander (L₅ L₆) und erweitert ist zunächst P-polarisierten mit einem Halbwellen-Platte λ₂4), dann durch eine polarisierende übertragen Beam Splitter (PBS), und schließlich links zirkular polarisiert durch eine Viertel-Wellenlängen-Platte (λ₂4) und konzentrierte sich auf die Probe mit einem achromatische Objektiv (L₄; wie L₃). Beachten Sie, dass die Pumpe und Sonde Strahlen fast in der Probe gegen ausbreiten und laser-eine S-orientierte Polarisator (P) verwendet wurde, zu verhindern, dass die Pumpe P-polarisierten Strahl (aus λ₁4 kommend) in die Sonde. Für die Erkennung von Lock-in ist die Pumpstrahl sinusähnlich f_m mit einem akusto-optischen Modulator (AOM) moduliert. Das SBG-Signal, manifestiert sich als Intensitätsschwankungen Frequenz f_m (siehe Kasten), ist mit demoduliertein Lock-in-Verstärker (LIA) nach Erkennung durch eine großflächige Photodiode (PD). Für bedeutende Beseitigung von streunenden Pumpe Reflexionen in der Fotodiode einem Schmalband Filter Bragg (BF) und eine atomare Notch-Filter (⁸⁵RB) rund um die Pumpe Wellenlänge neben mit einer lichtundurchlässigen Iris (I) dienen. Daten werden von einem Erwerb Datenkarte (DAQ) angeschlossen an einen Personalcomputer (PC) zur weiteren Analyse des Spektrums Brillouin erfasst. Alle Faltungsspiegeln (M₁- M₆) werden verwendet, um das Spektrometer auf ein 18'' x 24'' Steckbrett passen, die auf dem optischen Tisch zur Erleichterung der Platzierung von wässrigen Proben vertikal montiert ist. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Hinweis: sofern nicht anders angegeben, (i) alle Halterungen Halter und ziehen die Post-Grundlagen mit einer Aufspannung Gabel oder Montage Basis, um die optischen Tisch, und (Ii) Verwendung Ausgänge Laserleistungen von 2 bis 10 mW für alle Ausrichtung Verfahren.

Hinweis: Schalten Sie alle elektrischen/optoelektronische Geräte im Setup und 30 min von warm-up Zeit vor der Verwendung zu ermöglichen.

1. Vorbereitung der Sonde optischen Strahlengang

1. montieren und ausrichten den Faser-Kollimator des Test-Lasers.
   1. Connect die Eingabe Faser ein 33:67 FC/APC Polarisation-Aufrechterhaltung Faser Splitter (Port T FS ₁) zu den Faserkoppler des Test-Lasers. Verbinden Sie die 67 %-Ausgabe-Faser der Faser-Splitter (Port 1 des FS ₁) mit der Faser-Kollimator (C ₁). Legen Sie die Faser-Kollimator auf ein 6-Achsen kinematischen Mount (Ø _X Ø _y, Ø _Z, X, y, Z). Legen Sie einen Power-Meter hinter der Faser-Kollimator und maximieren Sie die Leistung des Lasers durch Anpassung der X, y und Z Schrauben von der Laser-Faserkoppler.
   2. Drehen die Faser-Kollimator (oder das optische Element ausgerichtet werden) um die Laser-Polarisation, die S-Polarisationsrichtung anzupassen, ist die hier senkrecht zur optischen Tisch Ebene. Bestätigen Sie, dass der Laserstrahl S-polarisiert durch Messung minimale (maximale) Laser-Übertragung (Reflexion) durch eine zusätzliche polarisierenden Strahlteiler mit einem Leistungsmesser ist.
   3. Zwei zusätzliche Ausrichtung Iris in identischer Höhe von optischen Tisch montieren (3 ' ' in diesem Setup). Für Strahl Ausbreitung entlang der optischen Achse des Systems und der Parallel zur optischen Tisch sollte dieser Höhe während der Ausrichtung des gesamten Systems konstant gehalten werden. Platzieren Sie eine Iris in eine Tabelle Montageöffnung hinter der Faser-Kollimator (oder das optische Element ausgerichtet werden) am < 50 mm Abstand. Legen Sie die zweite Iris in eine Befestigungsbohrung kollinear Tisch ausreichend weit von der ersten Iris (> 300 mm).
   4. Ausrichten den Ausgang Lichtstrahl der Faser-Kollimator (oder das optische Element ausgerichtet werden) entlang der optischen Achse des Systems durch Anpassung der X, y, Ø _X und Ø _y Schrauben der kinematischen Halterung, bis der Laserstrahl ist konzentrisch zu dem Zentrum der beiden Schwertlilien.
2. Einrichten einer Keplerschen Beam Expander.
   1. Eine Objektiv montieren (L ₁, f ₁ = 25 mm) in eine feste optische montieren.
   2. Montieren Sie zwei zusätzliche Ausrichtung Iris nach dem Verfahren in 1.1.3. Fein die seitliche Position und Winkel des Objektivs so einstellen, dass der übertragene Strahl konzentrisch zur Mitte der beiden Iris ist.
   3. Montieren ein zweites Objektiv (L-₂, f ₂ = 50 mm) in einem festen optischen montiert. Eine lineare translatorische Bühne ausgerichtet um die optische Achse des Systems zuordnen Sie die Berg Post Basis. Die Bühne zu platzieren, so dass das Objektiv in einem Abstand von f ₁ + f ₂ von der ersten Linse ist. Richten Sie das Objektiv wie unter 1.2.2.
   4. Ort eine Scherung Interferometer hinter der zweiten Linse zu bestätigen, dass der Strahl kollimiert ist. Die zweite Linse entlang der optischen Achse des Systems zu übersetzen, bis der Interferenzstreifen produziert parallel zur Bezugslinie auf die Diffusorplatte Scheren Interferometers ausgeschlossen sind.
3. Falten den Ausgang Lichtstrahl der Beam Expander.
   1. Einen Spiegel (M ₁) in einer kinematischen Halterung mit Pitch (Ø _X) montieren und gieren (Ø _y) Anpassungen. Richten Sie den Spiegel um 45 ^o bezüglich der optischen Achse entlang der Elemente C ₁ - L-₁ - L-₂.
   2. Montieren Sie zwei zusätzliche Ausrichtung Iris nach dem Verfahren in 1.1.3. Passen Sie die Ø _X und Ø _y Schrauben der Spiegel Halterung, bis der reflektierte Strahl ist konzentrisch zur Mitte der beiden Iris, die die optische Achse des Systems definiert.
4. Eingerichtet, die Probe Beleuchtungsoptik.
   1. Berg eine Null-Reihenfolge-Viertel-Wellenlängen-Platte (λ ₁ / 4) in einem 6-Achsen kinematische montiert (Ø _X Ø _y, Ø _Z, X, y, Z) in einer Entfernung von ca. 150 mm aus dem klappbaren Spiegel (M ₁), so dass ausreichend Platz für die Platzierung eines Polarisators (P) vor der Waveplate wie unter 2.7 beschrieben. Drehen Sie die Waveplate von 45 ^o in Bezug auf die schnelle Achse einen zirkulare Polarisationszustand bringen.
   2. Montieren eine Fokussierlinse (L ₃, f ₃ = 30 mm) in der gleichen kinematischen Halterung der Waveplate. Richten Sie den Strahl übertragen durch die Linse nach dem Verfahren in 1.1.3-4.
5. Die Sammlung Optik der Probe eingerichtet.
   1. Mount ein 6-Achsen kinematischen Mount (Ø _X Ø _y, Ø _Z, X, y, Z) auf ein Differential lineare translatorische Bühne in einem Abstand von ca. 60 mm von der Fokussierlinse (L ₃). Montieren Sie eine Null-Bestellung-Viertel-Wellenlängen-Platte (λ ₂ / 4) in der kinematischen Halterung. Die Waveplate von 45 ^o in Bezug auf die schnelle Achse drehen und bestätigen, dass der Laserstrahl S-polarisiert ist nach dem Verfahren in 1.1.2.
   2. Eine Sammlung Objektiv montieren (L ₄, f ₄ = 30 mm) in der gleichen kinematischen Halterung der Waveplate. Richten Sie den Strahl durch das Objektiv nach dem Verfahren in 1.1.3-4 übertragen. Bestätigen Sie, dass der Strahl wie unter 1.2.4 kollimiert ist.
   3. Montieren einen polarisierenden Strahlteiler Cube (PBS) auf einer kinematischen Halterung mit Pitch (Ø _X) und yaw (Ø _y) Anpassungen und legen Sie sie hinter den Waveplate (siehe Abbildung 1). Montieren Sie zwei zusätzliche Ausrichtung Iris nach dem Verfahren in 1.1.3. Passen Sie die Ø _X und Ø _y Schrauben der Strahlteiler Halterung, bis der reflektierte Strahl ist konzentrisch zur Mitte der beiden Iris, die die optische Achse des Systems definiert.

2. Bereiten Sie den optischen Strahlengang Pumpe

1. montieren und ausrichten den Faser-Kollimator des Lasers Pumpe.
   1. Connect die Faser von der verstärkten Anschluss der Pumpe Laser auf die Faser-Kollimator (C ₂). Montieren und ausrichten den Faser-Kollimator des Lasers Pumpe gemäß 1.1.3 - 4.
2. Stimmen die Pumpe Wellenlänge Rubiduim-85 D2 _{F g} = 3 Absorptionslinie.
   1. Ein Rubidium-85 Dampf Küvette hinter der Faser-Kollimator der Pumpe Laser (C ₂).
   2. Situieren eine Hilfs Photodetektor hinter der Dampf-Zelle, die Übertragung von der Pumpe Strahl durch die Zelle zu messen. Verbinden Sie den Photodetektor mit einem Oszilloskop. Drücken Sie die ' Autoset ' Taste auf dem Oszilloskop einstellen automatisch die Amplitude und Zeit Spur des Signals Auslesen aus der Photodetector.
   3. stellen grob die Wellenlänge des Lasers auf die Rubidium D2 Absorptionslinie, 780.24 nm, mit dem Temperatur-Drehknopf auf dem Laser-Controller auf ein Niveau, wo minimale Lichtdurchlässigkeit sich die Hilfs Photodetektor (durch die Rubidium-Zelle bemisst, (siehe Punkt 2.2.2). Stellen Sie die Laser-Temperatur auf die identifizierten Ebene.
   4. Verbinden Sie den Ausgang von einem Funktionsgenerator mit dem aktuellen Modulation-Eingang des Laser Pumpensteuerung.
   5. Gelten eine Dreieck-Welle von einem Funktionsgenerator für die Stromaufnahme der Modulation des Laser-Controllers, um langsam die Wellenlänge des Lasers über 60 scan pm (30 GHz). Drücken Sie zu diesem Zweck die ' Kanal wählen Sie '-Taste auf der Funktionsgenerator und wählen Sie Kanal 1. Drücken Sie anschließend die ' Rampe ' Taste und dann die ' fortlaufend ' Taste, um den Kanal zu eine Dreieck-Wellenform zu produzieren. Drücken Sie die ' Amplitude ' Shortcut-Taste, um die Wellenform Amplitude auf 2,25 Vpp (Spitze-Spitze-Spannung) festgelegt und die ' Frequenz/Periode ' Shortcut-Taste, um die Wellenform-Frequenz auf 5 mHz eingestellt. Zuletzt drücken Sie die ' auf ' um den Kanal der Funktionsgenerator einzuschalten.
   6. Ermitteln Sie so genau wie möglich die aktuellen, die die Pumpe Wellenlänge die Rubidium-85 D2 bringt _{F g} = 3 Absorptionslinie durch minimale Lichtdurchlässigkeit durch die Rubidium-Zelle mit der zusätzlichen Photodetektor (siehe Messung 2.2.2 Schritt). Stellen des Lasers auf die identifizierten Stufe mit dem aktuellen Drehknopf auf dem Laser-Controller aktueller. Entfernen Sie die Rubidium-Zelle und Hilfs Photodetektor. Zu guter Letzt die Stromaufnahme der Modulation von der Laser-Controller der Funktionsgenerator trennen.
3. Montieren und ausrichten den Laserlinie Aufräum Filter.
   1. Ort der Laserlinie Aufräum Filter (einen reflektierenden Bragg-Filter; BF) in eine kinematische montieren mit Pitch (Ø _X) und yaw (Ø _y) Anpassungen in einem Abstand von 250 mm von der Faser-Kollimator (C ₂).
   2. Ort eine Power meter im Strahlengang Übertragung (Reflexion) des Filters und minimieren (maximieren) die Strahlleistung durch Drehen des Filters in der Tonhöhe Achse entsprechend den Eingabe Bragg-Winkel (8 ^o in diesem Setup). Stellen Sie fein Ø _X und Ø _y Schrauben der kinematischen Halterung um die Ausrichtung zu optimieren.
   3. Falten der Strahl reflektiert den Filter wieder in eine Richtung parallel zur, des Balkens am Filter geben Sie mit Hilfe von zwei Spiegeln (M ₂, M ₃) montiert auf kinematische Reittiere mit Pitch und yaw Anpassungen.
   4. Montieren Sie zwei zusätzliche Ausrichtung Iris nach dem Verfahren in 1.1.3. Ø _X und Ø _y Schrauben der beiden Spiegelhaltern anpassen, bis der Strahl von den zweiten Spiegel reflektiert konzentrisch zur Mitte der beiden Iris ist, der die optische Achse des Systems definiert.
4. Montieren und ausrichten den akusto-optischen Modulator.
   1. Halterung und richten Sie eine Objektiv (L _5, f ₅ = 100 mm) an die Pumpe Strahl in einem akusto-optischen Modulator (AOM) zu konzentrieren, wie in 1.2.2 beschrieben. Nach Objektiv Nahrungsmittel vorsichtig entfernen der Linse L ₅ aus seiner Halterung vor Erteilung der AOM zur Vermeidung von Schäden an der AOM.
   2. Der AOM auf einer 5-Achsen-Plattform (Ø _X Ø _y, X, y, Z) in einer Entfernung von ca. 100 mm von der Fokussierlinse (L ₅) montieren. Sicherzustellen, dass die Pumpe Strahl Vermehrung durch das Eingangsfenster des Modulators S-polarisiert (siehe 2.1.2) zur Optimierung der Leistung der Modulator ist.
   3. Verbinden Sie den HF-Ausgang des Modulators Treibers mit der HF-Eingang des Modulators mit einem Koaxialkabel 50-Ω. Schalten Sie die Treiber und drücken Sie den ' Modus ' Taste auf den Treiber, damit der akusto-optischen Modulator im Dauerstrich-Modus arbeitet.
   4. Legen Sie einen Leistungsmesser hinter der Modulator-Ausgang zur Messung der Leistung des gebrochenen Strahls nur erster Ordnung. Stellen Sie den Bragg-Winkel des Modulators zur Maximierung der Leistung des gebrochenen Strahls erster Ordnung durch Drehen des Modulators in der Tonhöhe Achse (Ø _X).
   5. Reposition Finelythe Fokussierlinse (L ₅) in der Halterung den Pumpe Strahl in der Modulator und erzielen die gewünschte schnelle steigen/fallen (10 ns für ~ 50 µm Breite Durchmesser Fokus in diesem Setup). Passen Sie die X, y, Z, Ø _X und Ø _y Schrauben der Montage-Plattform des Modulators zur Maximierung der Leistung des gebrochenen Strahls erster Ordnung.
   6. Falten den Strahl am Modulator-Ausgang in eine Richtung parallel zu dem des Balkens am Modulator Eingang mit Hilfe von zwei Spiegeln (M ₄, M ₅) montiert auf kinematische Reittiere mit Pitch (Ø _X) und Yaw (Ø _y) Anpassungen als beschrieben in 2.3.3-4.
   7. Halterung und richten Sie eine zweite Linse (L _6, f ₆ = 200 mm) in einem Abstand von f ₅ + f ₆ aus der Fokussierlinse in der Modulator input für die modulierte Pumpstrahl lassen wie in 1.2.3-4 beschrieben. Dieses Objektiv zusammen mit der Fokussierung Objektiv an das Eingabeformular Modulator ein Keplerschen Beam Expander für den Strahl Pumpe passende Pumpe und Sonde Strahl Durchmesser vor der Fokussierung auf die Probe (S).
5. Die Pumpe P-Polarisation Optik eingerichtet. Montieren Sie eine Null-Bestellung Halbwellen-Platte (λ/2) in eine Drehung zu montieren. Legen Sie die Waveplate hinter der zweiten Linse des Expanders Keplerschen Strahl der Pumpe Strahl (L ₆). Drehen Sie die Waveplate anpassen den Strahl auf die P-Polarisation, die hier parallel zur optischen Tisch. Bestätigen Sie, dass der Laserstrahl durch Messung der maximalen (Mindest-) Laser-Übertragung (Reflexion) durch eine zusätzliche polarisierenden Strahlteiler mit einem Leistungsmesser ist P-polarisierten.
6. Falten und seitlich Verschiebung der Strahl am Ausgang der Waveplate.
   1. Einen Spiegel (M ₆) in einem kinematischen Mount mit Pitch (Ø _X) montieren und gieren (Ø _y) Anpassungen in einem Abstand von 50 mm von der Halbwellen-Platte (λ/2). Eine lineare translatorische Bühne ausgerichtet um die optische Achse des Systems zuordnen Sie die Post-Basis der kinematischen Halterung. Richten Sie den Spiegel um 45 ^o bezüglich der optischen Achse entlang der Elemente λ/2-PBS werden.
   2. Ausrichten der Strahl von der Spiegel und die polarisierenden reflektiert beam Splitter, wie in 1.3.1-2 beschrieben. Bestätigen, dass die Pumpe Strahl durch den polarisierenden Strahlteiler übertragen mit der Sonde optischen Strahlengang mit Hilfe eines Lasers anzeigen Card kollinear ist
   3. Übersetzen Sie den Spiegel von 3 mm in einer Richtung senkrecht zur optischen Achse der Pumpe-Sonde fokussierenden Objektive (L ₄-L ₃), einfallenden Pumpe Beleuchtung der Probe (S) zu produzieren, die streunenden Pumpe Reflexionen minimiert.
7. Die Pumpe blockiert Optik im Strahlengang Sonde eingerichtet. Montieren Sie einen linearen Polarisator (P) in eine Drehung zu montieren. Legen Sie den Polarisator zwischen dem klappbaren Spiegel (M ₁) und die ersten Waveplate (λ ₁ / 4) in den optischen Pfad Sonde, ca. 75 mm aus einzelnen Komponenten. Drehen Sie den Polarisator zu minimieren (maximieren) Übertragung von Pumpstrahl (Sonde).

3. Bereiten Sie das Schema zur Erfassung der Häufigkeit Verstimmung der Pumpe und der Sonde Laser

1. eingerichtet, die Glasfasern für die Sonde und Pumpe Laser.
   1. Connect die Eingabe Faser von einer 50: 50 FC/APC Polarisation Aufrechterhaltung Faser Splitter (Port 1 des FS ₂) zu Faserkoppler des Hafens von der Pumpe Laser nicht verstärkt. Verbinden Sie die 33 %-Ausgabe-Faser der Sonde Faser Splitter (Port 2 des FS ₁) an die 50 %-Eingang Faser der Pumpe Faser Splitter (Anschluss 2 FS ₂) Hülse mit einer Paarung.
   2. Die optische Leistung an der Ausgabe-Faser des 50: 50 Pumpe Faser Splitters (Port T FS ₂) mit einem Leistungsmesser messen und sicherstellen, dass die optische Gesamtleistung ist < 10 mW, Sättigung der fasergekoppelten Photodetektor (FPD) zu verhindern. Verbinden die Ausgabe-Faser des 50: 50 Pumpe Faser Splitters (Port T FS ₂) mit dem Eingang von einem High-Speed-fasergekoppelte Photodetektor.
2. Schließen Sie den K-Stecker von der schnellen Photodetektor direkt an der K-Buchse des GHz-Bandes von einer Mikrowelle FreqUency Zähler (FC).

4. Set Up the stimuliert Brillouin Gewinn/Verlust Detektor

1. bereiten die Rubidium-85 Dampf Zelle.
   1. Wickeln die gesamte Zelle mit einem thermisch leitfähige Pad. Wickeln Sie ein Hitze-Klebeband an den Rändern der Zelle. Platzieren Sie ein Thermoelement in der Mitte der Zelle, die Heiztemperatur zu überwachen. Stellen Sie sicher, dass das Thermoelement nicht die Hitze Band berührt. Schließen Sie das Thermoelement an ein Thermometer zum Auslesen der Zellentemperatur.
   2. Wickeln die gesamte Zelle mit einem Polytetrafluorethylen Band Hitze Band und Thermoelement an ihrem Platz zu halten und die Zelle von der Umgebung thermisch isolieren. Lassen Sie das Ende des Bandes Wärme ungehindert an beiden Rändern. Verdrahten Sie die beiden Leitungen des Bandes Hitze mit einer 0-30 V, 5 A DC Stromversorgung.
   3. Montieren Sie die Zelle in den optischen Pfad der Reflexion von den polarisierenden Strahlteiler (PBS). Sicherzustellen, dass die Sonde Strahl die Mitte der Zelle trifft.
   4. Montieren eine Iris (I) vor der Zelle. Öffnen Sie die Iris, so dass der Sonde Strahl völlig durchdringen kann. Diese Iris unterstützt streunende Pumpe Reflexionen zu minimieren.
2. Richten Sie den Photodetektor.
   1. Ort der Photodetektor (PD) hinter der Rubidium-Zelle. Der Photodetektor, untergebracht in einer Aluminium Box, umfasst eine großflächige Photodiode und hausgemachte RC Tiefpass Filter (R = 1 kΩ, C = 0,1 µF) das reduziert Lärm der reverse Bias-Spannung. Sicherzustellen, dass die Sonde Strahl trifft das Zentrum der Fotodiode mit Hilfe eines Lasers anzeigen Card
   2. Verbinden Sie Fotodiode Kathode terminal mit 0-30 V, 5 A DC-Stromversorgung über ein Koaxialkabel 50 Ω. Gelten bei einer umgekehrte Neigung von 25 V, mit dem Drehknopf Spannung am Netzteil, so dass die Fotodiode in Unterätzung Modus für Hochfrequenz-Erkennung betrieben wird.
3. Eingerichtet, der Lock-in-Verstärker.
   1. Connect Photodetektor zu einem 50Ω koaxiale Tiefpass-Filter (LPF) 1,9 MHz Bandbreite über ein Koaxialkabel 50 Ω. Verbinden Sie den Ausgang des koaxialen LPF direkt an den Signaleingang des Lock-in-Verstärker (LIA). Drücken Sie die ' Sig-Z In ' Schaltfläche auf der Lock-in-Verstärker, das Signal Eingang Impedanz des Lock-in-Verstärker, 50Ω.
   2. Connect Kanal 1 der Funktionsgenerator zur Referenz-Eingabe der Lock-in-Verstärker über ein Koaxialkabel 50 Ω. Presse der ' Kanal wählen Sie '-Taste auf der Funktionsgenerator und wählen Sie Kanal 1. Drücken Sie anschließend die ' Sine ' Taste und dann die ' fortlaufend ' Taste, um den Kanal, eine sinusförmige Wellenform zu produzieren. Presse die ' Amplitude ' Shortcut-Taste, um die Wellenform Amplitude auf 0,7 Vpp festgelegt und die ' Frequenz/Phase ' Taste um die Wellenform Häufigkeit f _m = 1,1 MHz.
   3. Connect Kanal 2 der Funktionsgenerator an den externen analogen Eingang des akusto-optischen Modulator-Treibers über ein Koaxialkabel 50 Ω. Folgen Sie den Anweisungen in 4.3.2 festzulegende eine 1 Vpp, f _m = 1,1 MHz sinusförmigen Wellenform auf Kanal 2.
   4. Drücken Sie die ' auf ' Taste auf der Funktionsgenerator, schalten Sie die Kanäle 1 und 2 und sperren ihre Phasenbeziehung durch Drücken der ' ausrichten Phase ' Lünette-Taste auf der Funktionsgenerator.
   5. Schalter der ' Modus ' Taste den akusto-optischen Modulator-Treiber, ' Normal ' Zustand. Die Pumpstrahl wird nun optisch moduliert f _m = 1,1 MHz.

5. Letzte Vorbereitungen des Systems und der Performance-Optimierung

1. richten Sie die Datenerfassung Einheit
   1. Connect den Analogausgang des Mikrowellen-Frequenzzähler (FC) an einen analogen Eingang des Referats Daten Akquisition (DAQ) über ein Koaxialkabel. Drücken Sie die ' DAC ', ' 1 ' und ' 0 ' Tasten auf der Frequenzzähler Auslesen Frequenzgenauigkeit auf 10 MHz eingestellt. Dieser Kanal überwacht die Pumpe-Sonde Frequenz Verstimmung.
   2. Verbinden die ' X ' Ausgang des Lock-in-Verstärker (LIA), der zweite Analogeingang der Daten Aufnahmeeinheit über ein Koaxialkabel. Presse der ' Ausgabe ' Taste von der ' X ' Kanal auf der Lock-in-Verstärker, den Kanal zu aktivieren. Dieser Kanal-Monitore der stimulierte Brillouin-Gewinn (SBG) signal-Ebene verwenden.
   3. Aufgeteilt in zwei separate Kanäle mit einem BNC-t-Connector einen Ausgabekanal der Funktionsgenerator. Verbinden Sie einen Kanal mit den Stromeingang Modulation der Sonden-Laser-Controller und der zweite Kanal an den dritten analogen Eingang der Daten Aufnahmeeinheit mit Koaxialkabel. Verwenden Sie diesen zweiten Kanal, um das Stromsignal Modulation des Test-Lasers zu erwerben.
   4. Den USB-Ausgang von der Aufnahmeeinheit Daten an einen Computer anschließen. Schreiben Sie ein Programm in einem Daten-Erwerb-Softwarepaket zu visualisieren und erfassen die oben beschriebenen Signale aus der Daten Akquisition ¹⁴.
2. Montieren Sie eine Wasserprobe in der Messkammer.
   1. Füllen einen selbstgebauten 500 µm dicken Glas Kammer mit destilliertem Wasser. Die Kammer ist umfasste zwei rund 25 mm Durchmesser 0,17 mm Dicke Glasdeckgläser Abstand von 500 µm dicken Polytetrafluorethylen Band.
   2. Befestigen Sie eine Kammer-Halterung auf einer motorisierten Übersetzung 3-Achsen-Bühne. Setzen die Messkammer in den Halter und übersetzen es in der gemeinsamen Brennpunkt von Sonde und Pumpe mit Schwerpunkt Linsen (L ₃ und L ₄, beziehungsweise) mit der motorisierten Bühne.
3. Heizen die Rubidium-Zelle.
   1. Verschleiß Laser-Schutzbrille für 780 nm Laser verwenden. Erhöhen Sie die Kraft der Pumpe Laser zu > 250 mW auf die Probe von dem aktuellen Drehknopf auf dem konisch-Verstärker-Controller und Messung der Leistung kurz vor der Probe mit einem Leistungsmesser.
   2. Satz der Zeitkonstante des Lock-in-Verstärker (LIA) 1 s durch Drücken der ' begleichen up/down ' Tasten auf der Lock-in-Verstärker. Festlegen der Tiefpass-Filter von der Lock-in-Verstärker bis 24 dB/Okt. durch Drücken der ' Filter Hang up/down ' Tasten. Stellen Sie die Empfindlichkeit der Lock-in-Verstärker, 1 mVrms, durch Drücken des ' Sens up/down ' Tasten. Über die Funktion ausrichten Phase der Lock-in-Verstärker, die Phasenverschiebung zwischen der Referenz und Signal-Eingänge des Verstärkers auf Null drücken anzupassen die ' Schicht ' und ' Phase ' Tasten.
   3. Überwachen die streunenden Pumpe Reflexionen durch die Beobachtung der Anzeigen auf der ' X ' Kanal des Lock-in Verstärker.
   4. Retune die Pumpe Wellenlänge der Rubiduim-85 D ₂ F _g = 3 Absorptionslinie mit sanft dem aktuellen Drehknopf auf dem Laser-Controller, eine minimale streunende Pumpe Reflexion auslesen zu erhalten die ' X ' Kanal des Lock-in Verstärker.
   5. Set 17 V DC auf die Kraft Spannungsversorgung angeschlossen, das Hitze-Band zum Aufwärmen der Rubidium-Zelle zu 90 ^o C. warten ein paar Minuten bis die Thermometer-Anzeige auf die gewünschte Zellentemperatur stabilisiert hat. Hinweis: Die Signal anzeigen beobachtet auf der ' X ' Kanal des Lock-in-Verstärker sollte schnell fallen beim Erhitzen (durch den deutlichen Anstieg der Absorption der Zelle).
4. Messen und optimieren die SBG-Signal im Wasser.
   1. Erhöhen Sie die Kraft des Test-Lasers zu > 10 mW auf die Probe von dem aktuellen Drehknopf auf der Laser-Steuerung und Messung der Leistung kurz vor der Probe mit einem Leistungsmesser.
   2. Grob stimmen die Sonde Wellenlänge Rubiduim-85 D2 _{F g} = 3 Absorptionslinie von dem Temperatur-Regler auf der Sonden-Laser-Controller und eine minimale Laser Stufe hinter der Rubidium-Zelle mit einem Leistungsmesser messen.
   3. fein tunen die Sonde Wellenlänge um länger als die Pumpe Wellenlänge werden mit dem aktuellen Drehknopf auf der Sonden-Laser-Controller bis > 10 mW, annähernd konstant, Laserleistung sind hinter der Rubidium-Zelle mit einem Leistungsmessgerät gemessen. Hinweis: Wenn die Sonde Wellenlänge kürzer als die von der Pumpe Laser ist, dann die zusätzliche Absorptionsbanden der Rubidium-85 Zelle erheblich reduzieren die Sonde macht die Zelle Ausgabe.
   4. Stellen Sie die Frequenz, die Verstimmung zwischen der Pumpe und Sonde Laser entsprechend die Brillouin-Verschiebung von Wasser (~ 5 GHz) mit dem aktuellen Drehknopf auf der Sonden-Laser-Controller und beobachten die Frequenz, die Verstimmung anzeigen auf den Frequenzzähler (FC). Hinweis: Für den negativen (positiven) erster Ordnung gebrochenen Strahl, diese auslesen sollte größer sein (kleiner) als die Brillouin-Verschiebung durch die RF Frequenz des Modulators akusto-optischen (210 MHz in diesem Setup) fahren.
   5. Der Lock-in-Verstärker-Empfindlichkeit auf 100 µVrms einstellen und justieren die Phasenverschiebung zwischen der Referenz und Signal-Eingänge des Verstärkers auf Null nach dem Verfahren in 5.3.3.
   6. Optimierung der Kreuzung Effizienz der Pumpe und Sonde Strahlen durch (i) fein einstellen der Ø _X und Ø _y Schrauben der kinematischen Halterung der klappbare Spiegel der Pumpe Strahl (M ₆) und (Ii) leicht übersetzen die Pumpe Fokussierlinse (L ₄) entlang der optischen Achse des Systems.
   7. Achten Sie darauf, die höhere Messwerte auf signal der ' X ' Kanal des Lock-in-Verstärker führen überwiegend von einer erhöhten SBG-Signal (anstatt von streunenden Pumpe Reflexionen) durch Blockierung des Sonde Strahls und Messung unveränderte Ebenen der streunenden Pumpe Reflexionen über die ' X ' Kanal des Lock-in Verstärker.
   8. 5.4.6-7 Schritte wiederholen, bis die SBG-Signal ein Maximum erreicht (> 2 µVrms), unter Beibehaltung der streunenden Pumpe Reflexionen auf einem unverändert Mindestniveau.

6. Messen und analysieren eine SBG-Spektrum

1. erstellen eine Kalibrationskurve der Sonde Modulation aktuelle Vs Pumpe-Sonde Frequenz Verstimmung.
   1. Einstellen der Frequenz Verstimmung zwischen der Pumpe und Sonde Laser bis 5 GHz (rund um die Brillouin-Verschiebung des Wassers) mit dem aktuellen Drehknopf auf der Sonde Laser Controller.
   2. Drücken Sie die ' RES ' und ' 5 ' Tasten auf der Mikrowelle Frequenzzähler (FC) der Torzeit auf 1 einstellen ms, Bereitstellung von einem Samplingintervall von 100 ms zwischen aufeinander folgenden Frequenz Verstimmung Messungen. Die Stromaufnahme der Modulation der Sonden-Laser-Controller zuweisen Sie eine Dreieck-Welle nach dem Verfahren in 2.2.5 mit Wellenform-Amplitude und Frequenz-Parameter von 150 mVpp und 50 mHz bzw.. Dies ermöglicht es, um langsam die Sonde Wellenlänge zu scannen (und folglich die Pumpe-Sonde Frequenz Verstimmung) über 2 GHz.
   3. Die Sampling-Rate von der Daten-Aufnahmeeinheit (DAQ) auf 100 Proben/s/Kanal eingestellt und aufzeichnen, die Pumpe-Sonde Frequenz Verstimmung und Sonde Laser Modulation Stromsignale von der Daten-Aufnahmeeinheit für 20 s (mehr als 4 bis 6 GHz) mit den Daten nach Hause geschrieben Erwerb Programm.
   4. Laden die Messdaten in eine Computer-Software-Programm. Passen Sie die Pumpe-Sonde Frequenz detuning Daten mit einem linearen Modell. Beachten Sie, dass es auch möglich, einen Polynom Sitz höherer Ordnung (wegen der Nichtlinearität der Pumpe-Sonde Frequenz Verstimmung Messungen) zu verwenden. Passen auch die Sonde Laser Modulation aktuellen Daten mit einem linearen Modell.
   5. Erzeugen die Kalibrierkurve durch die Speicherung in einem Computer-Software-Programm der Pumpe-Sonde Frequenz Verstimmung Fit Proben als Funktion der Sonde Modulation aktuelle passen Proben.
2. Ein SBG-Spektrum mit hoher Geschwindigkeit zu messen.
   1. Die Probe unter Test (S), zum Beispiel montieren, destilliertes Wasser, wie in den Experimenten, wie beschrieben in 5.2.1 - 2 verwendet. Wiederholen Sie die Schritte 5.4.1 - 8.
   2. Die Lock-in-Verstärker (LIA) Zeitkonstante soll ≥ 100 µs durch Drücken der ' begleichen up/down ' Tasten auf der Lock-in-Verstärker. Die Stromaufnahme der Modulation der Sonden-Laser-Controller zuweisen Sie eine Dreieck-Welle nach dem Verfahren in 2.2.5 mit Wellenform-Amplitude und Frequenz-Parameter von 150 mVpp und 50 Hz bzw.. Dies ermöglicht es, schnell scannen die Sonde Wellenlänge (und somit die Pumpe-Sonde Frequenz Verstimmung) über 2 GHz.
   3. Die Sampling-Rate von der Daten-Aufnahmeeinheit (DAQ) voraussichtlich ≤ 100.000 Proben/s/Kanal und Aufzeichnung der SBG und die Sonde Modulation Stromsignale von der Daten-Aufnahmeeinheit für Laser ≥ 10 ms (über 4 bis 6 GHz) mit den Daten nach Hause geschrieben Erwerb Programm.
3. Visualisieren und analysieren Sie das Spektrum der SBG.
   1. Last die Messdaten in 6.2.6 in einem Computer-Software-Programm aufgezeichnet.
   2. Pumpe-Sonde Frequenz Verstimmung Werte durch die Ermittlung dieser Werte in die Kalibrierkurve in 6.1.5 gespeichert die gemessenen Sonde Laser Modulation Stromwerte umwandeln.
   3. Subtrahieren die durchschnittliche Grundrauschen aus dem Spektrum und der SBG-Spektrum durch Plotten die SBG Messungen gegen die Pumpe-Sonde Frequenz Verstimmung Werte visualisieren.
   4. Passt das Spektrum mit einer Lorentzian Kurve. Für die anfängliche Schätzung der Lorentzian Parameter, verwenden die Amplitude, Frequenz Position und voller Breite auf die Hälfte des höchsten Punktes des Spektrums.
   5. Berechnen Sie die Brillouin-Verschiebung und Linienbreite von der Probe durch die Frequenz Position des maximalen und voller Breite Hälfte-höchstens der Lorentzian Fit bzw. abrufen.

Figuren 2 b und 3 b zeigen typische Punkt SBG-Spektren von destilliertem Wasser und Lipid-Emulsion Gewebe phantom Proben (mit 2,25 Streuung Ereignisse und eine Dämpfung-Koeffizient von 45 cm-1) bzw. innerhalb von 10 ms und 100 ms gemessen. Zum Vergleich: Wir maßen die SBG-Spektren in 10 s wie in den Figuren 2a und 3agezeigt. Bei diesen Messungen die Rubidium-85 Dampf-Zelle wurde erhitzt, um 90 ° C für die streunenden Pumpe Reflexionen von ~ 104 mildernde und Übertragung > 95 % der Sonde Licht; Ebenen, die über eine h11stabil beibehalten wurden. Auch die räumliche Auflösung, hier definiert als die seitlichen vollbreite Hälfte-höchstens die SBS Intensität aus dem Fokus erkannt wurden schätzungsweise etwa 8 µm10. Der Mittelwert, den Brillouin verschiebt, sich die schnell erworbenen Spektren im Wasser entnommen und Gewebe Phantome wurden 5,08 GHz und 5,11 GHz bzw.. Diese Brillouin-Umschalt-Schätzungen sind vergleichbar mit denen berechnet aus Spektren aufgezeichnet in 10 s und zu bereits veröffentlichten Brillouin Daten von wässrigen Proben9,10,11. Die Kartenausschnitte in den Figuren zeigen Histogramme der Brillouin Verschiebung Schätzungen aus 200 aufeinander folgenden Messungen der SBG Spektren abgerufen werden. Die Genauigkeit der erhaltenen Brillouin-Schicht wurde in Bezug auf die Standardabweichung einer Gaußschen Verteilung passen, um die beobachtete Verteilung der Brillouin-Verschiebung bewertet. Standardabweichungen von 8,5 MHz und 33 MHz erhielten in den Wasser- und Gewebe phantom Proben repräsentieren eine hohe Messgenauigkeit um subtile Veränderungen in Werkstoffmechanik zu erkennen. Obwohl die Pumpe Leistungsstufe verwendet hier war hoch (~ 250-270 mW), Heizung durch Absorption von Wasser bei 780 nm wurde auf geschätzt < 0,53 K und damit in den wässrigen Proben verwendet in diesem Werk10vernachlässigt werden kann. Darüber hinaus wurde keine kurzfristige Instabilität der SBG Spektren der Wasser- und Lipid-Emulsion Proben beobachtet, während 120 s der Dauerbelastung der Proben zu diesen Leistungsstufen.

Abbildung 2: stimulierte Brillouin zu gewinnen (SBG) Spectra of Water. Vertreter SBG Spektren von Wasser in (eine) 10 s und (b) 10 Ms. Punkte erworben und durchgezogene Linien stehen für Messwerte und Lorentzian passt bzw.. Kartenausschnitte zeigen entsprechende Histogramme Brillouin Verschiebung Schätzungen des Wassers. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Abbildung 3: stimulierte Brillouin zu gewinnen (SBG) Spektren von Gewebe Phantome. Vertreter SBG Spektren von Lipid-Emulsion Gewebe Phantome (mit 2,25 Streuung Ereignisse und eine Dämpfung-Koeffizient von 45 cm-1) in (einem) 10 s und (b) 100 Ms. Punkte erworben und durchgezogenen Linien bezeichnen Messwerte und Lorentzian passt, beziehungsweise. Kartenausschnitte zeigen entsprechende Histogramme Brillouin Verschiebung Schätzungen des Gewebes phantom. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

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