High Speed ​​Unter GHz-Spektrometer für Brillouin-Streuung Analysis

Das übergeordnete Ziel dieses Spektrometers besteht darin, Brillouin-Streusignaturen von Gewebe und Biomaterialien zu messen. Brillouin-Streuspektren liefern berührungslose, nichtinvasive Informationen über Materialeigenschaften wie beispielsweise den longitudinalen elastischen Modul. Diese Methode kann helfen, zentrale Fragen in der Gewebebiomechanik zu beantworten. Beispielsweise können wir bei Hornhautgewebe die Hornhautfestigkeit zur Diagnose und Behandlung des Keratokonus messen.

Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass wir eine spektrale Analyse mit geringer Lichtleistung durchführen können, was die Anwendung in vivo sicher macht und biologische Bildgebung ermöglicht. Beginnen Sie mit einer Kamera und einer optischen Faser, die auf einer optischen Bank positioniert sind. Hier ist eine E-M-C-C-D-Kamera am Ende des optischen Pfads montiert. Die Kamera sollte Bilder aufnehmen und diese auf einem Monitor anzeigen.

Etwa 1600 Millimeter vor der Kamera. Platzieren Sie einen Faserkollimator auf Kamerahöhe. Schließen Sie den Kollimator an einen Laser mit einzelner longitudinaler Mode an.

Verwenden Sie eine Laserleistung von weniger als 0,1 Milliwatt und überprüfen Sie die Ausrichtung, indem Sie die Blende entlang der gewünschten optischen Achse bewegen. Dieses Schema bietet einen Überblick über den Aufbau zu diesem Zeitpunkt. Fügen Sie danach ein aromatisches Linsenpaar vor der Kamera hinzu.

Dieses passende aromatische Linsenpaar hat eine Brennweite von 30 Millimetern. Beginnen Sie nun, Elemente für die horizontale Stufe hinzuzufügen. Bringen Sie zunächst auf einer horizontalen Translationsstufe eine horizontale Blende an, sodass sie durch die aromatische Linse auf die Kamera abgebildet wird.

Der Tisch sollte senkrecht zur Strahlrichtung bewegt werden. Überwachen Sie das Bild auf dem Computerbildschirm, um sicherzustellen, dass scharfe Kanten wie auf diesem Foto sichtbar sind. Fahren Sie fort, um die Platzierung einer sphärischen Linse 600 Millimeter vor der horizontalen Blende vorzubereiten.

Bereiten Sie zunächst zwei Irisblenden vor, die jeweils auf einer Stange und einer Stangenhalterung befestigt sind, um die Strahlausrichtung zu erleichtern. Platzieren Sie eine Irisblende zwischen der vorgesehenen Linsenposition und der horizontalen Blende. Plazieren Sie die zweite Irisblende hinter der vorgesehenen Linsenposition. Stellen Sie sicher, dass die Höhe der Irisblenden es dem Strahl ermöglicht, sauber durch beide hindurchzutreten.

Nach Abschluss der Ausrichtungsprüfung fahren Sie fort, mit der auf einer Halterung befestigten sphärischen Linse mit einer Brennweite von 200 Millimetern zu arbeiten. Verwenden Sie einen Postenhalter, um die Linse 600 Millimeter vor der horizontalen Blende zwischen den beiden Irisblenden zu positionieren, und befestigen Sie den Postenhalter sicher. Hier sehen Sie ein schematisches Bild der Anordnung nach der sphärischen Linse, wenn S1 in Position ist.

Das nächste hinzuzufügende Element ist das erste der virtuell abgebildeten Phasenarrays oder VIPA. Um das VIPA hinzuzufügen, platzieren Sie eine horizontale Translationsstufe auf dem Tisch. Rund 200 Millimeter vor der sphärischen Linse orientieren Sie die Stufe so, dass sie senkrecht zum Strahl beweglich ist; befestigen Sie auf der Stufe einen VIPA-Halter, der auf einer Stange und einer Stangenhalterung montiert ist. Holen Sie nun das VIPA, das montiert werden soll.

Jede Vipa verfügt über einen Eingangsschlitz, der für diese Vipa korrekt ausgerichtet sein muss. Platzieren Sie sie in der Vipa-Halterung, sodass der Schlitz vertikal ausgerichtet ist, und nehmen Sie feine Einstellungen an der Position der Vipa-Halterung vor, damit der Vipa-Eingang genau in der Fokalebene der sphärischen Linse liegt.

Fahren Sie fort, indem Sie die Vipa aus dem Strahl herausverschieben, um die Einrichtung fortzusetzen. Bereiten Sie anschließend die Montage der zweiten sphärischen Linse vor, die 200 Millimeter vor der horizontalen Blende mit Irisblenden auf beiden Seiten zur Ausrichtung platziert wird. Beachten Sie, dass Vipa zwei im Schema verschoben dargestellt ist, um anzudeuten, dass sie außerhalb des Strahlengangs liegt. Befestigen Sie die sphärische Linse mithilfe einer Halterung auf einer Translationsstufe zwischen den Irisblenden.

Orientieren Sie den Translationsstadium so, dass er entlang der optischen Achse bewegt wird, bevor Sie fortfahren. Überprüfen Sie, dass die Rückreflexion von der Linse sauber durch die Blende verläuft. Stellen Sie außerdem sicher, dass der austretende Strahl sauber durch die Blende auf der gegenüberliegenden Seite der Linse verläuft.

Bewegen Sie dann die VIPA, sodass ihr Eingang SL erneut im Strahlengang liegt. Dies erfolgt durch Justieren der Position des Translationsstages, an dem sie befestigt ist. Wenn Licht in die VIPA eintritt, beobachten Sie die vertikalen Linien des Kamerabilds auf dem Computermonitor.

Wechseln Sie nun zur Justage der Position der zweiten sphärischen Linse, während Sie die Linien auf dem Monitor beobachten. Feinjustieren Sie den Translationsstadium, um die Linien schärfer zu stellen, und stoppen Sie, sobald die Linien scharf sind. Anschließend arbeiten Sie mit dem VIPA-Halter.

Um das Spektrum anzupassen, verwenden Sie den horizontalen Translationsfreiheitsgrad, um die Eintrittsposition des Strahls in das lon einzustellen. Beobachten Sie die Reaktion des Bildes auf dem Computermonitor, während der Eingangsspalt verschoben wird. Zusätzlich verwenden Sie den horizontalen Neigungsfreiheitsgrad, um den Eingangswinkel des Strahls in das al on einzustellen.

Überwachen Sie erneut das Bild auf dem Computerbildschirm, um Rückmeldungen zu den Neigungsanpassungen zu erhalten. An diesem Punkt ist die horizontale Justage des Spektrometers abgeschlossen. Um die vertikale Justage vorzunehmen, schieben Sie das VIPA mithilfe des Translationsstages aus dem Strahl heraus.

Danach an einer Position 200 Millimeter vor der sphärischen Linse eine vertikale Blende montieren, die auf einer vertikalen Translationsstufe befestigt ist, um die Blende aus dem Strahlengang bewegen zu können. Stellen Sie sicher, dass die vertikale Blende scharf auf der CCD-Kamera abgebildet wird.

Die nächste Komponente ist eine zylindrische Linse. 600 Millimeter vor der vertikalen Blende. Verwenden Sie einen Stativhalter, um eine Linse mit 200 Millimeter Brennweite zwischen zwei Irisblenden zu platzieren.

Die zweite VIPA wird sich auf einer vertikalen Translationsstufe 200 Millimeter vor der zylindrischen Linse befinden. Stellen Sie den VIPA-Halter auf einer vertikalen Translationsstufe bereit, um die VIPA aus dem Strahlengang herausbewegen zu können. Befestigen Sie die VIPA mithilfe einer Stange und eines Stangenhalters an der Stufe, wobei darauf zu achten ist, dass der Eingangsschlitz horizontal genau ausgerichtet ist.

Passt die Position des Vipa so an, dass er sich genau in der Fokalebene der zylindrischen Linse befindet. Danach wird er aus dem Strahlengang bewegt. Das letzte Element ist eine zweite zylindrische Linse.

200 Millimeter vor der vertikalen Maske platziert. Für diese Linse einen translatorischen Tisch entlang der optischen Bahn montieren und die zweite zylindrische Linse auf dem Tisch ausrichten. Zurückkehren zur zuletzt platzierten VIPA-VIPA-Einheit und sie wieder in den Strahlengang verschieben.

Verwenden Sie den vertikalen Translationsfreiheitsgrad, um die Eintrittsposition des Strahls in den Al aufzubringen. Beobachten Sie den Effekt der Justierung auf dem Kamerabild am Computermonitor. Fahren Sie fort, indem Sie den vertikalen Neigungs-Freiheitsgrad einstellen, um den Eingangswinkel des Strahls zu optimieren.

Beobachten Sie den Computermonitor, um Rückmeldungen über die Auswirkungen der Einstellungen zu erhalten. Nun ist es an der Zeit, die beiden Stufen des Systems zu kombinieren. Tun Sie dies, indem Sie VIPA zwei, das erste, in den optischen Pfad geschoben wird.

Stellen Sie das vipa S ein, während Sie die horizontal und vertikal angeordneten Punkte beobachten. Der Computermonitor stoppt, wenn die Punkte mit der Spektralsignatur des Einzelfrequenzlasers scharf gestellt sind. Nehmen Sie mithilfe der Kamerasoftware in dieser Software ein Bild der Signatur auf.

Rechtsklicken Sie auf das Bild und wählen Sie die Option „Liniendiagramm“. Ziehen Sie den Cursor diagonal über das Bild, um ein Liniendiagramm zu erzeugen. Lassen Sie dann die Maustaste los, um das Diagramm anzuzeigen, das zur Bestimmung der Güte verwendet wird. In diesem Beispielplot sind die beiden erforderlichen Messungen gekennzeichnet.

Messen Sie zuerst den diagonalen Abstand zwischen zwei Punkten, die freie Spektralbreite. Anschließend messen Sie die volle Breite bei halber Höhe. Teilen Sie die freie Spektralbreite durch die volle Breite bei halber Höhe und fahren Sie fort, wenn das Verhältnis größer als 30 ist.

Zurück am Arbeitsplatz, umgeben Sie das Spektrometer mit einem Boxgerüst, das mit Verdunkelungstuch bedeckt ist, wie hier mit einer anderen Aufbauten gezeigt. Stellen Sie vor Fortsetzung sicher, dass die Masken und das VIPA leicht zugänglich sind. Schließen Sie abschließend die Faser an eine Standard-Optiksonde an. In diesem Fall kommt ein konfokales Mikroskop zum Einsatz.

Ein offener Aufbau wird verwendet, um die Schritte bei der Messung der Brion-Verschiebung zu demonstrieren. Zuerst wird eine der Masken zur Justage ausgewählt. In diesem Fall beginnt man mit dem Schließen der horizontalen Maske mithilfe ihres Mikrometers.

Beobachten Sie die Lasersignatur auf dem Computermonitor. Ziel ist es, die in den Ecken sichtbare Lasersignatur zu blockieren. Verwenden Sie den Translationsstadium, um die Maske horizontal zu zentrieren und so die Signatur zu blockieren.

Beobachten Sie weiterhin das Verhalten der Laser-Signatur auf dem Monitor. Wechseln Sie zwischen Schließen und Verschieben der Blende, bis die Signatur blockiert ist. Wiederholen Sie dies anschließend mit der vertikalen Blende.

Wenn die Probe geladen ist, öffnen Sie die vertikale Stufenmaske, um den Durchsatz der vertikalen Stufe zu optimieren. Fahren Sie mit der vertikalen Stufe vipa vipa fort, variieren Sie dabei die Neigungsposition der vipa, um einen Bereich von Eingangswinkeln an das AL abzudecken, scannen Sie durch die Spektrometerordnungen und stoppen Sie bei der Ordnung mit dem schärfsten Signal. Schließen Sie die Maske erneut, bis das Lasersignal verschwindet.

Wiederholen Sie den Optimierungsprozess mit der horizontalen Maske und dem Vipa, bevor Sie Messungen durchführen. Hier sind Brion-Spektren, die für Methanol, Ethanol und Polystyrol gemessen wurden. In diesen Diagrammen sind die gemessenen Daten in Blau dargestellt.

Die Lian-Kurvenanpassung ist rot dargestellt. Die verwendeten Vipa sind fünf Millimeter dick und weisen somit eine freie Spektralbreite von etwa 20 Gigahertz auf. Die Integrationszeit betrug 100 Millisekunden.

Es wurden 100 Messungen durchgeführt und gemittelt. Die Brion-Verschiebungen stimmen mit früher veröffentlichten Ergebnissen überein. Dieses Histogramm zeigt die Brion-Verschiebungen aus 250 aufeinanderfolgenden Messungen von Methanol.

Die Daten halfen dabei festzustellen, ob die Ausrichtung des Spektrometers optimal ist. Ein gut ausgerichtetes Spektrometer mit fünf Milliwatt Lichtleistung auf der Probe und einer Integrationszeit von 100 Millisekunden weist eine Standardabweichung von etwa 10 Megahertz auf. Bei der Durchführung dieses Verfahrens ist es wichtig, die Kameraeinstellungen zu ändern, wenn Laserlicht oder gestreutes Licht verwendet wird.

Andernfalls wird die E-M-C-C-D-Kamera übersteuert und mit der Zeit beschädigt. Vergessen Sie nicht, dass die Arbeit mit Lasern äußerst gefährlich sein kann, und ergreifen Sie Vorsichtsmaßnahmen wie das Vermeiden des direkten Blicks in den Laserstrahl. Das Tragen von Schutzbrille und die Justage unter Augenhöhe sollten stets beachtet werden, wenn dieses Verfahren durchgeführt wird.