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

Das Ziel dieses Experiments ist es, ein kontinuierlichstrichstimuliertes Brillouin-Streuspektrometer zu konstruieren und zu betreiben, um transmissionsstimulierte Brillouin-Spektren von trüben und untrüben Proben mit hoher spektraler Auflösung und Geschwindigkeit zu erfassen. Diese Methode kann den Einsatz der Brillouin-Spektroskopie und -Bildgebung zur Untersuchung der Mechanik von Biomaterialien wie Zellen und Geweben vorantreiben. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass sie eine schnelle Erfassung von Brillouin-Spektren von trüber und nicht getrübter Materie ermöglicht.

Um das Experiment zu starten, stellen Sie sicher, dass die Komponenten des CW-SBS-Spektrometers sicher auf einer optischen Platine montiert sind. Überprüfen Sie, ob die benutzerdefinierte Datenerfassungssoftware Daten vom Mikrowellenfrequenzzähler, dem Lock-in-Verstärker, den Pump- und Sondenlasersteuerungen und dem Funktionsgenerator empfängt. Füllen Sie dann eine Probenkammer mit destilliertem Wasser aus zwei 0,17 Millimeter dicken Glasabdeckgläsern mit einem Durchmesser von 25 Millimetern und einem 500 Mikrometer dicken Polytetrafluorethylen-Klebeband.

Montieren Sie einen Kammerhalter auf einem dreiachsigen motorisierten Verschiebetisch. Sichern Sie die Wasserprobe in der Kammerhalterung. Übertragen Sie die Probe auf den gemeinsamen Fokuspunkt der Sonde und der Pumpenfokussierlinsen.

Stellen Sie dann den Stromregler des Pump-Laser-Controllers des konischen Verstärkers ein, bis die Leistung des Pumplasers über 250 Milliwatt liegt. Stellen Sie die Zeitkonstante des Lock-in-Verstärkers auf eine Sekunde, den Tiefpassfilter auf 24 Dezibel pro Oktave und die Empfindlichkeit auf ein Millivolt RMS ein. Stellen Sie die Phasenverschiebung zwischen der Verstärkerreferenz und den Signaleingängen auf Null ein.

Während Sie die Streureflexionen der Pumpe auf Kanal eins überwachen, passen Sie den Pumplaserstrom langsam an, bis die beobachteten Reflexionen auf ein Minimum reduziert sind. Stellen Sie dann die Stromversorgung der Rubidium-Dampfzellen-Heizeinheit auf 17 Volt DC ein. Sobald sich die Rubidiumzelle bei 90 Grad Celsius stabilisiert hat, platzieren Sie den Leistungsmesser vor der Laserfokussierlinse der Sonde. Passen Sie den Laserstrom der Sonde langsam an, bis die gemessene Leistung über 10 Milliwatt liegt.

Bewegen Sie als Nächstes den Leistungsmesser hinter die Rubidiumzelle. Passen Sie die Lasertemperatur der Sonde an, bis die gemessene Leistung auf ein Minimum eingestellt ist. Passen Sie dann den Laserstrom der Sonde an, bis sich die gemessene Leistung über 10 Milliwatt stabilisiert.

Ändern Sie den Sondenlaserstrom, um die Frequenzverstimmung zwischen dem Pump- und dem Sondenlaser auf ungefähr die Brillouin-Verschiebung der Probe einzustellen. Stellen Sie die Empfindlichkeit des Lock-in-Verstärkers auf 100 Mikrovolt RMS und die Phasenverschiebung wieder auf Null ein. Drehen Sie dann vorsichtig die Pitch- und Gierschrauben der kinematischen Halterung des Pumpstrahl-Klappspiegels und übertragen Sie die Pumpenfokussierlinse entlang der optischen Achse des Systems, um die Kreuzungseffizienz der Pump- und Sondenlaser zu optimieren.

Blockieren Sie den Sondenstrahl und notieren Sie die Pegel der Laserreflexionen der Streupumpe, während Sie den ersten Kanal des Lock-in-Verstärkers überwachen. Es ist wichtig, Streureflexionen der Pumpe aus der Kammer und der Probe ordnungsgemäß zu unterdrücken. Schließen Sie bei Bedarf die vor der Rubidiumzelle platzierte Iris leicht und vergrößern Sie den Kreuzwinkel zwischen Pumpe und Sondenlaser leicht, um die Abstoßungsstufen zu verbessern.

Lösen Sie die Blockade des Sondenstrahls und fahren Sie mit der Einstellung des Pumplasers, des Spiegels und der Fokussierlinse fort, bis das stimulierte Brillouin-Verstärkungssignal maximal über zwei Mikrovolt RMS liegt und die Reflexionen der Streupumpe auf einem konstanten Minimum liegen. Nachdem das System für die Probe optimiert wurde, erstellen Sie eine Kalibrierungskurve aus einem Diagramm des sondierten Modulationsstroms im Vergleich zur Verstimmung der Pump-Sonden-Frequenz. Stellen Sie die Zeitkonstante des Lock-in-Verstärkers auf mindestens 100 Mikrosekunden ein.

Stellen Sie den Funktionsgenerator, der an den Strommodulationseingang des Lasercontrollers angeschlossen ist, auf Kanal eins. Wählen Sie eine Dreieckswellenform aus, stellen Sie die Amplitude auf eine Spitzenspannung von 150 Millivolt und die Frequenz auf 50 Hertz ein. Legen Sie die Abtastrate der Datenerfassungseinheit auf mindestens 100.000 Abtastungen pro Sekunde und Kanal fest.

Zeichnen Sie mit der benutzerdefinierten Datenerfassungssoftware die SBG- und Sonden-Lasermodulationsstromsignale mindestens 10 Millisekunden lang auf. Importieren Sie die erfassten Daten in eine Computersoftware. Verwenden Sie die Kalibrierkurve, um die gemessenen Werte des Sondenlasermodulationsstroms in die Werte für die Frequenzverstimmung der Pump-Sonde umzurechnen.

Subtrahieren Sie das durchschnittliche Grundrauschen. Plotten Sie die SBG-Messungen gegen die Frequenzverstimmungswerte der Pumpsonde, um das SBG-Spektrum zu erzeugen. Passen Sie das Spektrum an eine Lorentzsche Kurve an, wobei die Amplitude, die Frequenzposition und die volle Breite an der Hälfte des höchsten Punktes des Spektrums als Anfangswerte verwendet werden.

Berechnen Sie die Brillouin-Verschiebung und die Linienbreite aus den Häufigkeitspositionen des Maximums bzw. der vollen Breite bei halbem Maximum der Lorentzschen Anpassung. Verwenden Sie Werte aus wiederholten Lorentzschen angepassten Spektren, um ein entsprechendes Histogramm zu erstellen. SBG-Spektren von destilliertem Wasser und Lipidemulsionsgewebe-Phantomproben wurden mit dieser Methode mit einer räumlichen Auflösung von etwa acht Mikrometern erzeugt.

Die Wasserproben wurden in 10 Sekunden und 10 Millisekunden und die Lipidproben in 10 Sekunden und 100 Millisekunden entnommen. Die aus den schnell erfassten Spektren ermittelten mittleren Brillouin-Verschiebungen betrugen 5,08 Gigahertz für Wasser und 5,11 Gigahertz für das Gewebephantom. Diese Werte stimmten mit denen überein, die aus den über 10 Sekunden aufgezeichneten Spektren berechnet wurden, und mit Literaturwerten.

An jeder Probe wurden 200 aufeinanderfolgende Messungen durchgeführt und die Standardabweichungen der Verteilungen der geschätzten Brillouin-Verschiebungen ausgewertet. Die Standardabweichungen betrugen 8,5 Megahertz bzw. 33 Megahertz für die Wasser- und Gewebeproben. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie Sie ein stimuliertes Brillouin-Streuspektrometer zusammenbauen und bedienen, um stimulierte Brillouin-gewonnene Spektren von wasser- und gewebeähnlichen Proben im Transmissionsmodus schnell zu messen.