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Espectrómetro de dispersión de Brillouin estimulada onda continua alta velocidad para análisis de materiales

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DOI:

10.3791/55527

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22 de septiembre de 2017

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1Biomedical Engineering Department, Ben-Gurion University of the Negev, 2Ilse Katz Institute for Nanoscale Science and Technology, Ben-Gurion University of the Negev

En este artículo

Resumen

Describimos la construcción de un espectrómetro de (CW-SBS) rápido continuo-agite-estimulado--dispersión de Brillouin. El espectrómetro emplea láseres de diodo de frecuencia única y un vapor atómico-filtro para adquirir espectros de transmisión de muestras turbias/no-turbio con resolución espectral alta en velocidades de hasta 100-fold más rápido que los de los espectrómetros de CW-SBS. Esta mejora permite alta velocidad análisis material de Brillouin.

Resumen

Últimos años ha habido un aumento significativo en el uso de espectrómetros de Brillouin espontáneas para análisis sin contacto de materia blanda, como soluciones acuosas y biomateriales, con tiempos de rápida adquisición. Aquí, discutimos el montaje y operación de un espectrómetro de Brillouin que utiliza estimulados dispersión de Brillouin (SBS) para medir espectros de ganancia (SBG) Brillouin estimulados de agua y lípidos emulsión tejido-como muestras en el modo de transmisión con < 10 MHz resolución espectral y < 35 MHz Brillouin cambio medida precisión < 100 ms. el espectrómetro consiste en dos casi en propagar láseres linewidth estrecho de onda continua (CW) a 780 nm cuya frecuencia desintonización es analizado a través de la cambio material de Brillouin. Mediante el uso de un filtro de muesca estrecha ultra caliente vapor de rubidio 85 y un detector sensible a la fase, la-a-relación señal ruido de la señal SBG es mejorada significativamente en comparación a la obtenida con los espectrómetros de CW-SBS. Esta mejora permite la medición de espectros SBG con adquisición más rápido hasta 100-fold veces, facilitando así el análisis de Brillouin resolución espectral y de alta precisión alta de materiales blandos a alta velocidad.

Introducción

Espectroscopía Brillouin espontánea se ha establecido, en los últimos años, como un enfoque valioso para el análisis mecánico de los materiales blandos, tales como líquidos, verdadero tejido, tejido fantasmas y biológico de las células1,2, 3,4,5,6,7. En este enfoque, un láser ilumina la muestra y la luz que se dispersa inelásticamente de ondas acústicas térmicas espontáneas en el medio se recoge por un espectrómetro, proporcionando información útil sobre las propiedades viscoelásticas de la muestra. El espectro de Brillouin espontáneo incluye dos picos de Brillouin en la acústica Stokes y anti-Stokes resonancias del material y un pico de Rayleigh en la frecuencia de láser ilumina (debido a la luz dispersada elásticamente). Para una geometría de retrodispersión de Brillouin, las frecuencias de Brillouin se cambian de puesto por varios gigahertz de la frecuencia de láser ilumina y tienen una anchura espectral de cientos de MHz.

Mientras que análisis espectrómetros de Fabry-Perot han sido la sistemas de elección para la adquisición de espectros de Brillouin espontáneos de materia blanda1,2, recientes avances tecnológicos en imagen prácticamente matriz de fase (VIPA) Espectrómetros han permitido mucho más rápidas mediciones (segundo) Brillouin con adecuada-resolución espectral (sub-GHz)3,4,5,6,7. En este protocolo, se presenta la construcción de una diferente, alta velocidad y alta resolución espectral, precisa Brillouin espectrómetro basado en la detección de la luz (CW-SBS) continuo-agite-estimulado--dispersión de Brillouin no turbias y turbias muestras en una geometría casi posterior dispersión.

En espectroscopia CW-SBS, onda continua (CW) bomba y sonda de láser, ligeramente desintonizado en frecuencia, se superponen en una muestra para estimular las ondas acústicas. Cuando la diferencia de frecuencia entre las vigas de la bomba y sonda coincide con una resonancia acústica específica del material, amplificación o deamplification de la señal de la sonda es proporcionado por pérdida o ganancia de Brillouin estimulado procesos (SBG/SBL), respectivamente; de lo contrario, no hay amplificación de SBS (de) produce8,9,10,11. Así, un espectro de SBG (SBL) puede ser adquirido por la diferencia de frecuencia entre el láser a través de las resonancias de Brillouin material de exploración y detectar el aumento (disminución) o ganancia (pérdida), en la intensidad de la sonda debido a la SBS. A diferencia de en la espontánea dispersión de Brillouin, Fondo de dispersión elástica existe inherentemente en SBS, que permite el excelente contraste de Brillouin en muestras turbias y no turbios sin necesidad de filtros de rechazo de Rayleigh como requerido en VIPA Espectrómetros de11,de10,13.

Los bloques de edificio principales de un espectrómetro de CW-SBS son la bomba y sonda de láser y el detector de pérdidas y ganancias estimulado de Brillouin. Para espectroscopía de alta resolución espectral, alta velocidad CW-SBS, los láseres deben ser frecuencia única (< grosor de línea de 10 MHz) con afinabilidad de longitud de onda suficientemente amplia (20-30 GHz) y velocidad de barrido (> 200 GHz/s), estabilidad a largo plazo de la frecuencia (< 50 MHz/h) y el ruido de baja intensidad. Además, linealmente polarizado y limitada por difracción laser vigas con poderes de algunos centenares (decenas) de mW en la muestra son necesarios para que la viga de la bomba (sonda). Por último, el detector de pérdidas y ganancias de Brillouin estimulado debe ser diseñado para detectar confiablemente débil atrás estimulado Brillouin pérdidas (SBG/SBL) niveles (10-5 - 10-6) en materia blanda. Para satisfacer estas necesidades, se seleccionaron los lasers del diodo retroalimentación distribuida (DFB) juntados al mantenimiento de polarización fibras junto con un detector de pérdidas y ganancias de Brillouin estimulado combinando un ultra-banda estrecha atómica vapor filtro de muesca y de una alta frecuencia modulación de sola cerradura-en el amplificador como se ilustra en la figura 1. Este esquema de detección duplica la intensidad de la señal SBG mientras reduce significativamente el ruido en la intensidad de la sonda, donde la señal deseada de SBG es encajado11. Tenga en cuenta que el papel del vapor atómico-filtro utilizado en nuestro espectrómetro de SBS es reducir significativamente la detección de reflexiones bomba callejeros no deseados en lugar de disminuir el fondo de la difusión elástica como en Espectrómetros VIPA que detectan tanto luz dispersaron Rayleigh y Brillouin espontánea. Utilizando el protocolo que se detalla a continuación, se puede construir un espectrómetro CW-SBS con la capacidad de adquirir espectros de transmisión de agua y tejido fantasmas con niveles SBG tan bajos como 10-6 en < precisión de la medida de 35 MHz Brillouin-cambio y dentro de 100 ms o menos.

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Figura 1: onda continua estimulada de Brillouin Scattering (CW-SBS) espectrómetro. Dos continuo-agite la bomba y sonda de láseres de diodo (DL), frecuencia desintonizado por el cambio de Brillouin de la muestra, se juntan en fibras monomodo-mantenimiento de la polarización con colimadores C1 y C2, respectivamente. Diferencia de la frecuencia de la sonda de la bomba se mide mediante la detección de la frecuencia de golpe entre vigas peladas de la bomba y sonda de láser utilizando un conjunto de separadores de fibra (FS), un fotodetector rápido (FPD) y un contador de frecuencia (FC). El haz de la sonda S-polarizado (rojo claro), ampliado con un Keplerian está circularmente polarizada por una placa de cuarto de onda (λ14) expansor de haz (L1 y L2) y centrado en la muestra (S) por una lente acromática (L3). Para la eficaz interacción de SBS y aislamiento óptico, la viga de la bomba (rojo intenso), ampliada con un expansor de haz de Keplerian (L5 y L6), es primero usando una placa de media onda λ24 P-polarizado), transmitida a través de un polarizador Beam splitter (PBS) y es finalmente izquierda circularmente polarizada por una placa de cuarto de onda (λ24) y se centró en la muestra con una lente acromática (L4; igual L3). Tenga en cuenta que las vigas de la bomba y sonda casi en propagan en la muestra y que un polarizador orientado a S (P) fue utilizado para evitar que la viga de la bomba P-polarizado (saliendo de λ14) en la sonda de láser. Para la detección de bloqueo de la viga de la bomba es modulada sinusoidal fm con un modulador acusto-óptico (ADM). La señal SBG, se manifiesta como variaciones de intensidad en la frecuencia fm (ver recuadro), es desmodulada conun bloqueo en el amplificador (LIA) tras detección de un fotodiodo de gran superficie (PD). Para significativa eliminación de reflejos de la bomba perdida en el fotodiodo, una banda estrecha filtro de Bragg (BF) y un filtro de muesca atómica (85RB) alrededor de la longitud de onda de la bomba se utilizan junto con un bloqueo de luz iris (I). Datos se registran por una tarjeta de adquisición de datos (DAQ) conectada a un ordenador personal (PC) para su posterior análisis del espectro de Brillouin. Todos los espejos plegables (M1- M6) se utilizan para caber el espectrómetro en un protoboard '' x 24'' 18 que se monta verticalmente sobre la mesa óptica para facilitar la colocación de las muestras acuosas. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Protocolo

Nota: a menos que se indique lo contrario, () Conecte todos los montajes para publicar los titulares y las bases del post con una horquilla de sujeción o montaje en base a la tabla óptica, y (ii) el uso de potencias de láser de mW 2-10 para todos los procedimientos de alineación la salida.

Nota: Encienda todos los dispositivos eléctricos/optoelectrónicos en la configuración y permite 30 minutos de tiempo antes de la preparación para usar.

1. preparar la trayectoria óptica del haz sonda

  1. Monte y alinee el colimador de la fibra del láser de la sonda. Separador de fibra
    1. Conecte la entrada fibra de 33:67 FC/APC polarización-mantener (puerto T de FS 1) al acoplador de la fibra del láser de la sonda. Conectar el 67%-salida de la fibra de la cortadora de fibra (puerto 1 de FS 1) con el colimador de fibra (C 1). Colocar el colimador de fibra a un montaje cinemático de 6 ejes (x, Ø Ø y Ø z, x, y, z). Coloque un medidor de potencia tras el colimador de fibra y maximizar la potencia del láser mediante el ajuste de la x, y y z tornillos del acoplador de la fibra láser.
    2. Girar el colimador de fibra (o el elemento óptico esté alineado) para ajustar la polarización del láser a la dirección de polarización de S, que aquí es perpendicular al plano de la mesa óptica. Confirmar que el rayo láser es polarizada S midiendo la transmisión láser (máximo) mínima (reflexión) a través de un divisor de haz de polarización auxiliar con un medidor de potencia.
    3. Monte dos iris de alineación auxiliar a una altura idéntica de la mesa óptica (3 ' ' en esta configuración). Para la propagación de la viga a lo largo del eje óptico del sistema y paralelos a la tabla óptica, esta altura debería mantenerse constante durante la alineación de todo el sistema. Colocar un diafragma en un orificio de montaje de la mesa detrás del colimador de fibra (o el elemento óptico esté alineada) en < distancia de 50 mm. Colocar el segundo iris en un orificio de montaje de mesa colineal suficientemente lejos de la primera iris (> 300 mm).
    4. Alinear el haz de salida del colimador de fibra (o el elemento óptico esté alineado) a lo largo del eje óptico del sistema ajustando la x, y, Ø x y tornillos Ø y del cinemática de montaje hasta que el rayo láser es concéntrico a la Centro de ambos iris.
  2. Configurar un expansor de haz de Keplerian.
    1. Montar una lente (L 1, f 1 = 25 mm) en un soporte óptico fijo.
    2. Monte dos iris de alineación auxiliar siguiendo el procedimiento en 1.1.3. Ajustar finamente la posición lateral y la inclinación de la lente para que el haz transmitido es concéntrico con el centro de ambos iris.
    3. Montar una segunda lente (L 2, f 2 = 50 mm) en un montaje óptico fijado. Coloque el poste de montaje en base a una etapa de traslación lineal alineada con el eje óptico del sistema. Coloque la etapa tal que la lente está a una distancia de f 1 + f 2 de la primera lente. Alinear la lente como se describe en 1.2.2.
    4. Colocar un interferómetro que esquila detrás de la segunda lente para confirmar que la viga es colimada. Traducir la segunda lente a lo largo del eje óptico del sistema hasta que las franjas de interferencia producidas son paralelas a la línea de referencia falló la placa difusora del interferómetro que esquila.
  3. Doblar la viga de la salida del expansor de haz.
    1. Montar un espejo (M 1) en un montaje cinemático con pitch (Ø x) y viraje (Ø y) ajustes. Orientar el espejo para ser 45 o con respecto al eje óptico a lo largo de los elementos C 1 - L 1 - L 2.
    2. Monte dos iris de alineación auxiliar siguiendo el procedimiento en 1.1.3. Ajuste el Ø x y Ø y tornillos de montaje del espejo hasta que el haz reflejado es concéntrico con el centro de ambos iris que define el eje óptico del sistema.
  4. Configurar la óptica de la iluminación de la muestra.
    1. Monte un orden cero placa de cuarto de onda (λ 1 / 4) en un 6 ejes montaje cinemático (Ø x, Ø y Ø z, x, y, z) a una distancia de aproximadamente 150 mm del espejo plegable (M 1), dejando espacio suficiente para colocar un polarizador (P) antes de la waveplate como se describe en 2.7. Girar 45 o con respecto a su eje rápido para producir un estado de polarización circular el waveplate.
    2. Montar una lente de enfoque (L 3, f 3 = 30 mm) en el mismo montaje cinemático de la waveplate. Alinear el haz transmitido a través de la lente siguiendo el procedimiento en 1.1.3-4.
  5. Configurar la óptica de la colección de la muestra.
    1. Monte un montaje cinemático 6 ejes (x, Ø Ø y Ø z, x, y, z) en un diferencial de fase lineal aplicada a una distancia de aproximadamente 60 mm de la lente de enfoque (L 3) Monte una placa de cuarto de onda de orden cero (λ 2 / 4) en el montaje cinemático. Gire el waveplate por 45 o con respecto a su eje rápido y confirmar que el rayo láser es polarizada S siguiendo el procedimiento en 1.1.2.
    2. Montar una lente de colección (L 4, f 4 = 30 mm) en el mismo montaje cinemático de la waveplate. Alinear el haz transmitido a través de la lente siguiendo el procedimiento en 1.1.3-4. Confirmar que la viga es colimada como se describe en 1.2.4.
    3. Montar un cubo polarizante del divisor de viga (PBS) en un montaje cinemático con pitch (Ø x) y guiñada (Ø y) ajustes y colocar detrás de la waveplate (como se muestra en la figura 1). Monte dos iris de alineación auxiliar siguiendo el procedimiento en 1.1.3. Ajuste el Ø x y Ø y tornillos de montaje del divisor de viga hasta que el haz reflejado es concéntrico con el centro de ambos iris que define el eje óptico del sistema.

2. Preparar el camino óptico del rayo bomba

  1. Monte y alinee el colimador de la fibra del laser de la bomba. Láser
    1. Conecte la fibra del puerto amplificado de la bomba para el colimador de fibra (C 2). Monte y alinee el colimador de la fibra del laser de la bomba como se describe en la 1.1.3 - 4.
  2. Ajustar la longitud de onda de la bomba a la D2 rubiduim-85 F g = línea de absorción 3.
    1. Lugar a una célula del vapor de rubidio 85 detrás el colimador de la fibra del laser de la bomba (C 2).
    2. Situar un fotodetector auxiliar detrás de la célula del vapor para medir la transmisión de la viga de la bomba a través de la célula. Conecte el fotodetector en un osciloscopio. Prensa el ' Autoset ' botón en el osciloscopio para fijar automáticamente la amplitud y el tiempo del rastro de la señal de lectura de la photodetector.
    3. establece groseramente la longitud de onda del láser en el rubidio D2 línea de absorción, 780.24 nm, girando la perilla de temperatura en el controlador de láser a un nivel donde mínima transmisión de luz es medida a través de la célula de rubidio por el fotodetector auxiliar ( Vea el paso 2.2.2). Ajuste la temperatura del laser en el Nivel identificado.
    4. Conecte la salida de un generador de funciones a la actual entrada de modulación del controlador láser bomba.
    5. Aplicar una onda triangular de un generador de funciones a la actual entrada de modulación del controlador láser para analizar poco a poco la longitud de onda de láser a través de 60 pm (30 GHz). Para ello, pulse la ' Canal ' botón del generador de funciones y seleccionar el canal 1. A continuación, pulse el ' rampa ' botón y entonces el ' continuo ' botón para ajustar el canal para producir una forma de onda de triángulo. Prensa el ' amplitud ' botón de acceso directo para ajustar la amplitud de la onda al 2.25 Vpp (voltaje pico a pico) y la ' frecuencia/período ' botón de acceso directo para ajustar la frecuencia de onda a 5 mHz. Por último, pulse el ' en ' botón para encender el canal del generador de funciones.
    6. Identificar la mayor precisión posible el actual nivel que trae la longitud de onda de la bomba a la D2 de rubidio 85 F g = 3 líneas de absorción midiendo mínima transmisión ligera a través de la célula de rubidio utilizando el fotodetector auxiliar (véase Paso 2.2.2). Configurar el láser actual en el Nivel identificado girando el mando actual del controlador de láser. Retire la célula de rubidio y la auxiliar fotodetector. Por último, desconectar el generador de funciones de la actual entrada de modulación del controlador láser de.
  3. De montaje y alinee el línea de láser Limpiar filtro.
    1. Lugar el línea de láser Limpiar filtro (un reflejo Bragg; BF) en una cinemática Monte con pitch (Ø x) y viraje (Ø y) ajustes a una distancia de 250 mm desde el colimador de fibra (C 2).
    2. Lugar un poder meter en el trayecto óptico de transmisión (reflexión) del filtro y minimizar (maximiza) la energía de la viga girando el filtro en el eje de la echada para que coincida con el ángulo de entrada de Bragg (8 o en esta configuración). Ajustar finamente el Ø x y Ø y tornillos de montaje cinemático para optimizar la alineación.
    3. Veces el haz reflejado del filtro a una dirección paralela a la de la viga en el filtro de entrada utilizando dos espejos (M 2, M 3) montado en montajes cinemáticos con pitch y yaw ajustes.
    4. Monte dos iris de alineación auxiliar siguiendo el procedimiento en 1.1.3. Ajustar el Ø x y tornillos Ø y de ambos montajes del espejo hasta que el rayo reflejado el segundo espejo es concéntrico con el centro de ambos iris que define el eje óptico del sistema.
  4. Monte y alinee el modulador acusto-óptico.
    1. Monte y alinee una lente (L 5 f 5 = 100 mm) para enfocar la viga de la bomba en un modulador acusto-óptico (OMA) como se describe en 1.2.2. Después de aliment de la lente, saque suavemente la lente L 5 su montaje antes de colocar la ADM con el fin de evitar daños a la ADM.
    2. Monte la ADM en una plataforma de 5 ejes (x, Ø Ø y, x, y, z) a una distancia de aproximadamente 100 mm de la lente de enfoque (L 5). Asegurarse de que la bomba de la viga propagando a través de la ventana de entrada del modulador es S-polarizado (ver 2.1.2) para optimizar el rendimiento del modulador.
    3. Conecte la salida de RF del conductor del modulador a la entrada de RF del modulador con un cable coaxial de 50-Ω. Encienda el controlador y pulse el ' modo ' el botón en el controlador para que el modulador acusto-óptico funciona en modo de onda continua.
    4. Colocar un medidor de potencia detrás de la salida del modulador para medir la potencia de la viga difractada de primer orden solamente. Ajustar el ángulo de Bragg del modulador para maximizar la potencia de la viga difractada de primer orden girando el modulador en el eje de la echada (Ø x).
      5. Finelythe de
    5. reposición enfoque objetivo (L 5) en su montura para centrarse la viga de la bomba en el modulador y alcanzar el tiempo deseado rápida subida/caída (10 ns para el foco de diámetro de rayo ~ 50 μm en esta configuración). Ajuste de la x, y, z, Ø x y tornillos Ø y de la plataforma de montaje del modulador para maximizar la potencia de la viga difractada de primer orden.
    6. Dobla el haz a la salida del modulador a una dirección paralela a la de la viga en la entrada del modulador usando dos espejos (M 4, M 5) montados sobre monturas cinemáticas con pitch (Ø x) y guiñada (Ø y) ajustes se describe en 2.3.3-4.
    7. Montaje y alinee la segunda lente (L 6, f 6 = 200 m m) a una distancia de f 5 + f 6 desde el lente de concentración en el modulador de entrada para colimar el haz modulado la bomba como se describe en 1.2.3-4. Este objetivo junto con el enfoque de la lente en el formulario de entrada del modulador un expansor de haz de Keplerian para la viga de la bomba, que la bomba y sonda de diámetros de la viga antes de centrarse en la muestra (S).
  5. Configurar la bomba óptica de polarización P. Monte una placa de media-onda de orden cero (λ/2) en un monte de rotación. Lugar la waveplate detrás de la segunda lente del expansor de haz de Keplerian de la viga de la bomba (L 6). Gire el waveplate para ajustar la viga a la dirección de la polarización P, que aquí es paralelo al plano de la mesa óptica. Confirmar que el rayo láser es polarizada P midiendo la transmisión láser (mínimo) máximo (reflexión) a través de un divisor de haz de polarización auxiliar con un medidor de potencia.
  6. Doblez y lateralmente cambio el rayo a la salida de la waveplate.
    1. Montar un espejo (M 6) en un montaje cinemático con pitch (Ø x) y viraje (Ø y) ajustes a una distancia de 50 mm de la placa de media onda (λ/2). Coloque la base del poste de montaje cinemático a una etapa de traslación lineal alineada con el eje óptico del sistema. Orientar el espejo para ser 45 o con respecto al eje óptico a lo largo de lo elementos λ/2-PBS.
    2. Alinee el rayo se refleja en el espejo y la polarización de la viga splitter como se describe en 1.3.1-2. Confirmar que la viga de la bomba transmitida a través del divisor de viga polarizantes es colineal con la trayectoria óptica del haz del sonda usando un láser de visualización de tarjeta
    3. Traducir el espejo de 3 mm en una dirección perpendicular al eje óptico de las lentes de enfoque de bomba-probe (L 4-L 3) para producir iluminación fuera del eje de la bomba de la muestra (S) que minimiza los reflejos perdidos bomba.
  7. Configurar la bomba bloqueo de óptica en el trayecto óptico de la sonda. Monte un polarizador lineal (P) en un monte de rotación. Colocar el polarizador entre el espejo plegable (M 1) y el primer waveplate (λ 1 / 4) en el trayecto óptico de la sonda, aproximadamente 75 mm de cada uno de estos componentes. Girar el polarizador para minimizar (maximizar) la transmisión de la viga de la bomba (sonda).

3. Preparar el plan para la detección de la frecuencia de desintonización de la bomba y sonda de láser

  1. configurar la fibra óptica para los lasers de la sonda y la bomba.
    1. Conectar la entrada de la fibra de un 50: 50 FC/APC-mantenimiento de la polarización divisor de fibra (puerto 1 de FS 2) al acoplador de la fibra del puerto no amplificados de lo laser de la bomba. Conecte la fibra 33%-salida de la cortadora de fibra de sonda (puerto 2 de FS 1) a la fibra del 50% de entrada del separador de la fibra de la bomba (puerto 2 de FS 2) usando un apareamiento manga.
    2. Medir la potencia óptica a la salida de la fibra de la cortadora de fibra bomba 50: 50 (puerto T de FS 2) con un medidor de potencia y asegurar que la potencia óptica total es < 10 mW para evitar la saturación de la fibra-juntado fotodetector (FPD). Conecte la salida de la fibra de la cortadora de fibra bomba 50: 50 (puerto T de FS 2) a la entrada de un fotodetector alta velocidad fibra.
  2. Conectar el K masculino del fotodetector rápido directamente en el conector hembra de K de la banda de GHz de frecuencia de un microondasuency contador (FC).

4. Establecer hasta el estimulado Brillouin pérdidas y Detector

  1. preparar la célula del vapor de rubidio 85.
    1. Abrigo todo el celular con una almohadilla térmica conductiva. Envuelva una cinta de calor alrededor de los bordes de la celda. Colocar un termopar en el centro de la célula para controlar la temperatura de calefacción. Asegúrese de que el termopar no toque la cinta de calor. Conecte el termopar a un termómetro para leer la temperatura celular.
    2. Envolver toda la célula con una cinta de politetrafluoroetileno para sostener la cinta de calor y termopar en su lugar y aislar térmicamente a la célula del ambiente. Dejar el extremo de la cinta de calor sin obstáculos en ambos bordes. Conecte los dos cables de la cinta de calor a un 0-30 V, 5 A DC fuente de alimentación.
    3. Montaje de la célula en la vía óptica de reflejo de la polarización divisor de viga (PBS). Asegurar que el haz de la sonda golpea el centro de la célula.
    4. Monte un iris (I) antes de la célula. Abrir el iris para que el haz de la sonda puede pasar completamente a través. Este iris ayuda a reducir al mínimo reflexiones de callejeros bomba.
  2. Configurar el fotodetector. Celular
    1. lugar el fotodetector (PD) tras el rubidio. El fotodetector, alojado en una caja de aluminio, consta de un fotodiodo del grande-área y un filtro de paso bajo RC casero (R = 1 kΩ, C = 0,1 μF) que reduce el ruido de la tensión de polarización inversa. Asegurar que el haz de la sonda golpea el centro del fotodiodo utilizando un láser de visualización de tarjeta
    2. Conectar el cátodo del fotodiodo terminal a 0-30 V, 5 A DC fuente de alimentación mediante un cable coaxial de 50 Ω. Aplicar un diagonal reverso de 25 V, girando la perilla de tensión en la alimentación, por lo que el fotodiodo se opera en modo fotoconductora para detección de alta frecuencia.
  3. Configurar el amplificador lock-in.
    1. Conectar el fotodetector a un 50Ω coaxial-filtro de paso bajo (LPF) de 1,9 MHz anchura de banda usando un cable coaxial de 50 Ω. Conecte la salida de la LPF coaxial directamente a la entrada de señal del amplificador lock-in (LIA). Prensa el ' Sig-Z en ' botón del amplificador lock-in para configurar la señal de impedancia del amplificador lock-in para 50Ω.
    2. Conecte el canal 1 de un generador de funciones a la referencia de entrada del amplificador lock-in con un cable coaxial de 50 Ω. Prensa la ' Canal ' botón del generador de funciones y seleccionar el canal 1. A continuación, pulse el ' seno ' botón y entonces el ' continuo ' botón para ajustar el canal para producir una onda sinusoidal. Prensa el ' amplitud ' botón de acceso directo para ajustar la amplitud de la onda a 0,7 Vpp y la ' frecuencia/período ' botón de acceso directo para ajustar la frecuencia de la onda f m = 1,1 MHz.
      3. Entrada analógica de
    3. Conecte el canal 2 del generador de funciones a lo externo del conductor modulador acusto-óptico mediante un cable coaxial de 50 Ω. Siga el procedimiento en 4.3.2 establecer un 1 Vpp, f m = onda sinusoidal 1,1 MHz en el canal 2.
    4. Prensa del ' en ' botón del generador de función para activar canales 1 y 2 y su relación de fase de la cerradura, empujando la ' fase Alinee ' botón bisel en el generador de funciones.
    5. Interruptor de la ' modo ' el botón en el controlador de modulador acusto-óptico para ' Normal ' estado. La viga de la bomba ahora es ópticamente modulada en f m = 1,1 MHz.

5. Preparativos finales del sistema y optimización del Performance

  1. configurar la adquisición de datos unidad.
    1. Conecte la salida analógica del contador de frecuencia de microondas (FC) a una entrada analógica de la unidad de adquisición de datos (DAQ) usando un cable coaxial. Prensa el ' CAD ', ' 1 ' y ' 0 ' botones en el contador de frecuencia para establecer la precisión de lectura de frecuencia 10 MHz. Este canal controla la desintonización de frecuencia sonda bomba.
    2. Conecte el ' X ' salida del bloqueo de amplificador (LIA) para la segunda entrada analógica de la unidad de adquisición de datos mediante un cable coaxial. Prensa el ' salida ' botón de la ' X ' canal del amplificador lock-in para activar el canal. Utiliza este monitores de canal la ganancia estimulada de Brillouin (SBG) señal nivel.
    3. Divide un canal de salida de un generador de funciones en dos canales separados utilizando un conector t BNC. Conecte un canal a la entrada de modulación actual del controlador de láser de la sonda y el segundo canal para la tercera entrada analógica de la unidad de adquisición de datos mediante cables coaxiales. Utilice este segundo canal para adquirir la señal de modulación de la actual punta de prueba del laser de la.
    4. Conectar la salida USB de la unidad de adquisición de datos a un ordenador. Escribir un programa en un paquete de software de adquisición de datos para visualizar y grabar las señales antes descrita de la unidad de adquisición de datos 14.
  2. Montar una muestra de agua en la cámara de medición. Cámara de 500 μm de espesor vidrio
    1. llenar una casa construida con agua destilada. La cámara está integrada por dos redondos de 25 mm diámetro 0,17 mm vidrio grueso cubreobjetos espaciados por una cinta de 500 μm de espesor politetrafluoetileno.
    2. Montar un soporte de cámara en una etapa de traducción motorizado de 3 ejes. Coloque la cámara de medición y traducir hasta el punto de enfoque conjunto de la sonda y la bomba centrando las lentes (L 3 y 4 de la L, respectivamente) con la etapa motorizada.
  3. Calentar la célula rubidio.
    1. Use anteojos de seguridad láser de 780 nm láser uso. Aumentar la potencia del láser bomba para obtener > 250 mW en la muestra girando la perilla de la corriente del controlador amplificador cónicos y midiendo la potencia justo antes de la muestra con un medidor de potencia.
    2. Conjunto la constante de tiempo del bloqueo de amplificador (LIA) 1 s pulsando el ' Settle Down ' botones del amplificador lock-in. Configurar el filtro de paso bajo del amplificador cerradura-en a 24 dB/oct empujando la ' filtro cuesta arriba/abajo ' botones. Ajuste la sensibilidad del amplificador lock-in 1 mVrms oprimiendo el ' Sens up/down ' botones. Utilice el alinear la función de fase del amplificador lock-in para ajustar el desplazamiento de fase entre las entradas de referencia y la señal del amplificador a cero presionando el ' cambio de ' y ' fase ' botones.
    3. Controlar los reflejos de la bomba perdida observando las lecturas en el ' X ' canal del amplificador lock-in.
    4. Volver a afinar la longitud de onda de la bomba a la rubiduim-85 D 2 F g = 3 líneas de absorción girando suavemente el actual en el controlador de láser para obtener una lectura de reflexión mínima bomba perdida en el ' X ' canal del amplificador lock-in.
    5. Set 17 V DC la alimentación fuente conectada a la cinta de calor para calentar la celda de rubidio a 90 o C. Espere un par de minutos hasta que la lectura del termómetro se estabilice la temperatura de la celda deseada. Nota: Las lecturas de la señal observaron en el ' X ' canal del amplificador lock-in debe caer rápidamente durante el calentamiento (debido al aumento significativo en la absorción de la célula).
  4. Medir y optimizar la señal SBG en el agua.
    1. Aumentar la potencia del láser de la sonda para obtener > 10 mW en la muestra girando la perilla de la corriente del controlador de láser y midiendo la potencia justo antes de la muestra con un medidor de potencia.
    2. Grueso, ajustar la longitud de onda de la sonda a la D2 rubiduim-85 F g = 3 líneas de absorción por girar la perilla de temperatura en el controlador de láser de la sonda y un nivel de potencia de láser mínimo detrás de la célula de rubidio de medición con un medidor de potencia.
    3. ajustar la longitud de onda de sonda para ser más largo que la longitud de onda de la bomba girando el mando actual del controlador de láser de la sonda hasta > 10 mW, aproximadamente constante, energía del laser se miden los niveles detrás de la célula de rubidio con un medidor de potencia. Nota: Si la longitud de onda de la sonda es menor que el laser de la bomba, entonces las bandas de absorción adicional de la célula de rubidio 85 reducen significativamente la potencia de la sonda a la salida de la célula.
    4. Ajustar la frecuencia de desafinación entre la bomba y sonda de láser para que coincida con el cambio de Brillouin del agua (~ 5 GHz) girando el mando actual del controlador de láser de la sonda y observando la frecuencia de lecturas en el contador de frecuencia (FC) de desintonización. Nota: Para el negativo (positivo) primer orden difracción de rayo, estas lecturas deben ser mayores (menor) que el cambio de Brillouin de la RF conducir frecuencia del modulador acusto-óptico (210 MHz en esta configuración).
    5. La sensibilidad del amplificador lock-in para 100 µVrms y ajuste el desplazamiento de fase entre las entradas de referencia y la señal del amplificador a cero siguiendo el procedimiento en 5.3.3.
    6. Optimizar la eficiencia del cruce de las vigas de la bomba y sonda (i) finalmente ajustando las Ø x y Ø y tornillos de montaje cinemático del espejo plegable de la viga de la bomba (M 6), y (ii) un poco traducir la bomba enfoque objetivo (L 4) a lo largo del eje óptico del sistema.
    7. Asegúrese de que la mayor señal de lecturas en el ' X ' canal del amplificador cerradura-en resultado predominante desde una señal SBG creciente (en vez de reflexiones bomba callejeros) bloqueando el haz de la sonda y medición de los niveles inalterados de la bomba perdida reflexiones sobre el ' X ' canal del amplificador lock-in.
    8. Repita pasos 5.4.6-7 hasta que la señal SBG alcanza un máximo (> 2 µVrms), manteniendo reflexiones bomba perdida en un nivel mínimo.

6. Medir y analizar un espectro SBG

  1. crear una curva de calibración de sonda modulación actual vs bomba sonda frecuencia desintonización.
    1. Establecer la frecuencia de desafinación entre las bomba y sonda de láseres a 5 GHz (alrededor el Brillouin cambio de agua) girando el mando actual del controlador de láser de la sonda.
    2. Prensa del ' RES ' y ' 5 ' botones en el contador de frecuencia de microondas (FC) para configurar el tiempo de puerta a 1 ms, proporcionando un intervalo de muestreo de 100 ms entre frecuencia consecutivo desintonización mediciones. Aplicar una onda triangular a la entrada de modulación actual del controlador de láser de la sonda siguiendo el procedimiento en 2.2.5 parámetros de amplitud y frecuencia de forma de onda de 150 mVpp y 50 mHz, respectivamente. Esto permitirá analizar poco a poco la longitud de onda de la sonda (y por lo tanto, la frecuencia de la bomba-sonda desintonización) a través de 2 GHz.
    3. Establecer la frecuencia de muestreo de la unidad de adquisición de datos (DAQ) para 100 muestras/s/canal y grabar la desintonización de frecuencia sonda de bomba y sonda láser modulación señales de corriente de la unidad de adquisición de datos por 20 s (durante 4-6 GHz) con los datos del escrito de inicio Programa de adquisición de.
    4. Cargar los datos de medición en un programa de software computacional. Montar los bomba sonda frecuencia desintonización los datos con un modelo lineal. Tenga en cuenta que también es posible utilizar un ajuste polinomial de orden superior (debido a la no linealidad de la frecuencia de la bomba-sonda desintonización mediciones). También caben los datos actuales de la modulación láser de la sonda con un modelo lineal.
    5. Generar la curva de calibración mediante el almacenamiento en un programa computacional la frecuencia bomba sonda desintonización ajuste en función de la modulación de la punta de prueba actual ajuste muestras.
  2. Medir un espectro SBG en velocidad alta.
    1. Montar la muestra bajo prueba (S), por ejemplo, como se utiliza en los experimentos, como se describe en 5.2.1 - 2 de agua destilada. Repita los pasos 5.4.1 - 8.
    2. Establece la constante de tiempo de bloqueo de amplificador (LIA) en ≥ 100 μs presionando el ' Settle Down ' botones del amplificador lock-in. Aplicar una onda triangular a la entrada de modulación actual del controlador de láser de la sonda siguiendo el procedimiento en 2.2.5 con parámetros de amplitud y frecuencia de forma de onda de 150 mVpp y 50 Hz, respectivamente. Esto le permitirá analizar rápidamente la longitud de onda de la sonda (y por lo tanto, la frecuencia de la bomba-sonda desintonización) a través de 2 GHz.
    3. Establece la frecuencia de muestreo de la unidad de adquisición de datos (DAQ) en ≤ 100.000 canal de s de las muestras y registro de la SBG y la sonda láser señales de modulación de la corriente de la unidad de adquisición de datos para ≥ 10 ms (durante 4-6 GHz) con los datos del escrito de inicio Programa de adquisición de.
  3. Visualize y analizar el espectro SBG.
    1. Carga los datos de medición registrados en 6.2.6 en un programa de cómputo software.
    2. Convertir los valores actuales medidos sonda láser modulación en frecuencia de sonda bomba desintonización valores mediante la identificación de estos valores en la curva de calibración almacenados en 6.1.5.
    3. Restar el ruido promedio del espectro y visualizar el espectro SBG trazando las medidas SBG contra la frecuencia de la bomba-sonda desintonización valores.
    4. Ajuste del espectro con una curva de Lorentz. Para conjetura inicial de los parámetros de Lorentz, utilizar la amplitud, posición de frecuencia y ancho en la mitad del punto más alto del espectro de.
    5. Calcular el cambio de Brillouin y linewidth de la muestra por recuperar la posición de frecuencia del máximo y ancho en el medio máximo del diferencial ajuste, respectivamente.

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Resultados

Figuras 2b y 3b muestran espectros de SBG punto típico de agua destilada y emulsión de lípidos del tejido fantasmas muestras (con 2,25 eventos de dispersión y un coeficiente de atenuación de 45 cm-1) medidas a 10 ms y 100 ms, respectivamente. Para la comparación, hemos medido los espectros SBG en 10 s como se muestra en la figuras 2a y 3a. En estas mediciones, la célula del vapor de rubidio 85 fue calentada a 9...

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Discusión

El sistema, que se muestra en la figura 1, fue diseñado para ser construido en un tablero de 18'' x 24'' que se puede montar verticalmente en una tabla óptica, facilitar la colocación de las muestras acuosas. Como resultado, es importante fuertemente Apriete todos los elementos ópticos y mecánicos y asegurar que las vigas de la bomba y sonda son colineales y concéntricas con los distintos elementos antes de iluminar la muestra en eje geometría.

Pueden surgir dificultades en la...

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Divulgaciones

Los autores no tienen nada que revelar.

Agradecimientos

IR agradece a la Fundación de Azrieli para la concesión de becas de doctorado.

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
Cabezal y controlador láser de diodo de sondaToptica PhotonicsSYST DL-100-DFBCantidad: 1
Bomba de láser de diodo amplificado y controladorToptica PhotonicsSYST TA-pro-DFBCantidad: 1
estación de acoplamiento de fibra FC/APCToptica PhotonicsFiberDock Cantidad: 3
Latiguillo de fibra de mantenimiento de polarización monomodo de alta potencia FC/APCToptica PhotonicsOE-000796Cantidad: 1
Colimación de fibra FC/APC con óptica de colimación ajustableToptica PhotonicsFiberOutCantidad: 1
colimador fijo de fibra FC/APCOGZ OpticsHPUCO-33A-780-P-6.1-ASCantidad: 1
Divisor de fibra de mantenimiento de polarización monomodo 33:67Óptica OZFOBS-12P-111-4/125-PPP-780-67/33-40-3A3A3A-3-1Cantidad: 1
Polarización monomodo que mantiene el divisor de fibra 50:50Óptica OZFOBS-12P-111-4/125-PPP-780-50/50-40-3S3A3A-3-1Cantidad: 1
f=25 mm, Ø Doblete Acromático de 1/2", Montura Roscada SM05, ARC: 650-1050 nmThorlabsAC127-025-B-MLCantidad: 1
f=30 mm, Ø Doblete Acromático de 1", Montura Roscada SM1, ARC: 650-1050 nmThorlabsAC254-30-B-MLCantidad: 2
f=50 mm, Ø Doblete acromático de 1", montaje roscado SM1, ARC: 650-1050 nmThorlabsAC254-50-B-MLCantidad: 1
f = 100 mm, Ø Doblete Acromático de 1", Montura Roscada SM1, ARC: 650-1050 nmThorlabs AC254-100-B-MLCantidad: 1
f=200 mm, Ø Doblete acromático de 1", montaje roscado SM1, ARC: 650-1050 nmThorlabs AC254-200-B-MLCantidad: 1
Ø Espejo dieléctrico de banda ancha de 1/2", 750-1100 nmThorlabs BB05-E03Cantidad: 4
Ø Espejo dieléctrico de banda ancha de 1", 750-1100 nmThorlabs BB1-E03Cantidad: 2
Cubo divisor de haz polarizado de 1", 780 nmThorlabs PBS25-780Cantidad: 1
Ø Polarizador lineal de 1" con ventanas protectoras N-BK7, 600-1100 nmThorlabs LPNIRE100-BCantidad: 1
Interferómetro de cizallamiento con una placa de corte de 1-3 mm de diámetro de hazThorlabsSI035Cantidad: 1
Montaje óptico cinemático de bloqueo de 6 ejesThorlabs K6XSCantidad: 4
Plataforma compacta de cinco ejesThorlabs PY005Cantidad: 1
Adaptador de montaje de pedestal para plataforma de 5 ejesThorlabs PY005A2 Cantidad: 1
Polaris de baja deriva y Oslash; Montura de espejo cinemática de 1/2", 3 ajustadoresThorlabs POLARIS-K05Cantidad: 4
Montura de lente para Ø Óptica de 1"Thorlabs LMR1Cantidad: 5
Adaptador con roscas externas SM1 y roscas internas SM05, 0.40"de espesor Thorlabs SM1A6TCantidad: 1
Montura de rotación para Ø Óptica de 1"Thorlabs RSP1Cantidad: 2
Montaje de prisma cinemático de 1"Thorlabs KM100PMCantidad: 1
Diafragma de iris SM1 activado por anillo graduadoThorlabs SM1D12CCantidad: 1
Diafragma de iris montado en poste, Ø Apertura máxima de 12,0 mmThorlabsID12Cantidad: Etapa
1/2" con micrómetro estándarThorlabsMT1Cantidad: 3
Ø Poste de pilar de pedestal de 1", 8-32 grifos, L = 1"ThorlabsRS1P8ECantidad: 1
Ø Poste de pilar de pedestal de 1", 8-32 grifos, L = 1.5 "ThorlabsRS1.5P8ECantidad: 2
Ø Poste de pilar de pedestal de 1", 8-32 grifos, L = 2"ThorlabsRS2P8ECantidad: 4
Ø 1" Poste de pilar de pedestal, 8-32 grifos, L = 2.5"ThorlabsRS2.5P8ECantidad: 1
Ø Poste de pilar de pedestal de 1", 8-32 machos, L = 3"ThorlabsRS3P8ECantidad: 4
Horquilla de apriete cortaThorlabsCF125Cantidad: 12
Base de montajeThorlabsBA1SCantidad: 8
Abrazadera en V grande con brazo de sujeción PM4, 2,5" de largo, ImperialThorlabsVC3CCantidad: 1
Ø Soporte de poste de 1/2", tornillo de mariposa con bloqueo hexagonal accionado por resorte, L = 1"ThorlabsPH1Cantidad: 2
Ø Soporte de poste de 1/2", tornillo de mariposa con bloqueo hexagonal accionado por resorte, L = 1.5"ThorlabsPH1.5Cantidad: 2
Ø Soporte de poste de 1/2", tornillo de mariposa con bloqueo hexagonal accionado por resorte, L = 2"ThorlabsPH2Cantidad: 6
Ø Poste óptico de 1/2", acero inoxidable, tornillo de fijación 8-32, grifo de 1/4"-20, L = 1"ThorlabsTR1Cantidad: 2
Ø Poste óptico de 1/2", acero inoxidable, tornillo de fijación 8-32, grifo de 1/4"-20, L = 1.5"ThorlabsTR1.5Cantidad: 2
Ø Poste óptico de 1/2", acero inoxidable, tornillo de fijación 8-32, grifo de 1/4"-20, L = 2"ThorlabsTR2Cantidad: 6
Placa de pruebas de aluminio 18" x 24" x 1/2", grifos de 1/4"-20ThorlabsMB1824Cantidad: 1
Soporte vertical de 12" para placas de pruebas, 1/4"-20 agujeros, 1 piezaThorlabsVB01Cantidad: 2
fotodiodos de Si, 40 ns Tiempo de subida, 400 - 1100 nm, 10 mm x 10 mmárea activa Thorlabs FDS1010Cantidad: 1
Placa de onda, orden cero, 1/4 onda 780nmTower OpticsZ-17.5-A-.250-B-780Cantidad: 2
Placa de onda, orden cero, 1/2 onda 780nmTower OpticsZ-17.5-A-.500-B-780Cantidad: 1
Fotodetector de ultra alta velocidad acoplado a fibraNewport1434Cantidad: 1
Gimbal montura de mirador ópticoNewportU100-G2H ULTIMACantidad: 3
etapas lineales con un rango de recorrido de 25 mmNewport  M-423 y nbsp;Cantidad: 1
Micrómetro diferencial bloqueable, 25 mm grueso, 0,2 mm fino, carga de 11 lbNewport  DM-25LCantidad: 1
Etapa lineal del motor XYZInstrumentación Científica AplicadaLS-50Cantidad: Controlador de 3
etapasInstrumentación Científica AplicadaMS-2000Cantidad: 1
PortamuestrasHecho en casaCantidad personalizada: 1
Célula de espectroscopia de sílice fundida de rubidio 85 con ventanas planas recubiertas de AR, 150 mm de longitud, 25 mm de diámetroFotónica TecnologíasSC-RB85-25x150-Q-ARCantidad: 1
Almohadilla térmicamente conductora de 300 mm x 300 mmBERGQUIST Q3AC 300MMX300MM SHEETCantidad: 1
Cinta térmica de 0,15 mm x 2,5 mm x 5 m, 4,29 mm; W/mKANTHAL8908271 Cantidad: 1 Cinta
politetrafluoroetileno 1/2'' x 12 mCinta de teflónR.G.DCantidad: 1
Filtro de paso de banda de rejilla Bragg reflectanteOptiGrateSPC-780Cantidad: 1
modulador óptico aousto de alta frecuenciaGooch y Housego15210Cantidad: 1
Modulador óptico Aousto Controlador RF, frecuencia: 210 MHz Gooch y HousegoMHP210-1ADS2-A1Cantidad: 1
amplificador de bloqueo de alta frecuencia Stanford Research SystemsSR844Cantidad: 1
Contador de frecuenciaMatriz de faseEIP 578BCantidad: 1
Generador de función arbitrariaTektronixAFG2021Cantidad: 2
Módulo de adquisición de datos (DAQ)National InstrumentsNI USB-6212 BNCCantidad: 1
Software de adquisición de datos (DAQ);National InstrumentsLabVIEW 2014Cantidad: 1
Fuente de alimentación de CC regulada  dual 0-30V 5AMEILIMCH-305D-iiCantidad: 1
TermoparMRC TP-01Cantidad: 1
TermómetroMRCTM-5007Cantidad: 1
Filtro coaxial de paso bajo DC-1.9 MHzMini CircuitosBLP-1.9+Cantidad: 1
20% emulsión lipídicaSigma-AldrichI141-100mlCantidad: 1
cubreobjetos redondo de 25 mm de diámetro espesor:1 #Menzel Glaser150285Cantidad: 1
Software computacional MathWorksMATLAB 2015a
de traducción de 2 de

Referencias

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