Alta velocidad Espectrómetro Sub-GHz para el Análisis de Dispersión de Brillouin

El objetivo general de este espectrómetro es medir las firmas de dispersión de Bragg en tejidos y biomateriales. Los espectros de dispersión de Bragg proporcionan información no invasiva y sin contacto sobre propiedades del material, como el módulo elástico longitudinal. Este método puede ayudar a responder preguntas clave en biomecánica de tejidos. Por ejemplo, en el tejido corneal, podemos medir la resistencia corneal para el diagnóstico y tratamiento del queratocono.

La principal ventaja de esta técnica es que podemos realizar análisis espectrales con baja potencia de luz, lo que la hace segura para su uso in vivo, permitiendo así la obtención de imágenes biológicas. Comience con una cámara y una fibra óptica colocadas en posición sobre una mesa óptica. Aquí, una cámara E-M-C-C-D está montada en un extremo del trayecto óptico. La cámara debe estar adquiriendo imágenes y mostrándolas en un monitor.

Aproximadamente 1600 milímetros delante de la cámara. Coloque un colimador de fibra a la altura de la cámara. Conecte el colimador a un láser de modo longitudinal único.

Utilice una potencia láser inferior a 0,1 milivatios y verifique la alineación moviendo el iris a lo largo del eje óptico deseado. Este esquema ofrece una visión general del montaje en este punto. A continuación, agregue un par de lentes aromáticos delante de la cámara.

Este par de lentes aromáticos combinados tiene una longitud focal de 30 milímetros. Ahora comience a agregar elementos para la plataforma horizontal. Primero, en una plataforma de traslación horizontal, agregue una máscara horizontal para que sea proyectada en la cámara por el lente aromático.

La etapa debe moverse perpendicularmente al trayecto del haz. Monitoree la imagen en la pantalla del ordenador para verificar que la imagen muestre bordes nítidos como en esta foto. Continúe para prepararse para colocar una lente esférica, a 600 milímetros frente a la máscara horizontal.

Primero, prepare dos diafragmas, cada uno en un soporte y portasoportes, para facilitar la alineación del haz; coloque un diafragma entre la posición prevista de la lente y la máscara horizontal. Coloque el otro diafragma más allá de la posición prevista de la lente. Asegúrese de que la altura de los diafragmas permita que el haz pase limpiamente a través de ambos.

Una vez finalizada la verificación del alineamiento, continúe con el trabajo utilizando la lente esférica montada sobre un poste, con una longitud focal de 200 milímetros. Use un soporte para postes y coloque la lente a 600 milímetros frente a la máscara horizontal, entre las dos iris, y asegure el soporte. A continuación se muestra un esquema del montaje después de colocar la lente esférica, con S uno en posición.

El siguiente elemento que se añadirá es el primero de las matrices de fase con imagen virtual, o vipa S. Para añadir el vipa, coloque una plataforma de traslación horizontal sobre el banco. Aproximadamente a 200 milímetros delante de la lente esférica, oriente la plataforma para que se mueva perpendicular al haz; sujete a la plataforma un portavipa montado sobre un vástago y su soporte. Ahora tome el vipa que se montará.

Cada vipa tiene una ranura de entrada, que debe orientarse correctamente para este vipa. Colóquelo en el soporte del vipa con la ranura orientada verticalmente y realice ajustes finos en la posición del montaje del vipa, de modo que la entrada del vipa quede exactamente en el plano focal de la lente esférica.

Continúe trasladando el vipa fuera del haz para proseguir con la configuración. A continuación, prepárese para colocar la segunda lente esférica, a 200 milímetros delante de la máscara horizontal con iris a ambos lados para alineación; tenga en cuenta que en el esquema se muestra desplazado el vipa dos para indicar que está fuera de la trayectoria del haz. Monte la lente esférica utilizando un soporte en una etapa de traslación entre los iris.

Oriente el escenario de traslación para que se mueva a lo largo del trayecto óptico antes de continuar. Verifique que el reflejo posterior desde la lente atraviese limpiamente el iris. Además, compruebe que el haz saliente atraviese limpiamente el iris en el lado opuesto de la lente.

Luego mueva el vipa de manera que su entrada SL vuelva a estar en la trayectoria del haz. Haga esto ajustando la posición del estadio de traslación al que está unido. A medida que la luz entra en el vipa, observe las líneas verticales de la imagen de la cámara en el monitor del ordenador.

Pase a ajustar la posición de la segunda lente esférica mientras observa las líneas en el monitor. Ajuste finamente la etapa de traslación para enfocar nítidamente las líneas y deténgase cuando las líneas estén enfocadas. A continuación, trabaje con el soporte vipa.

Para ajustar el espectro, utilice el grado de libertad de traslación horizontal para ajustar la posición de entrada del haz en el lon. Observe la respuesta de la imagen en el monitor del ordenador mientras se traslada la rendija de entrada. Además, utilice el grado de libertad de inclinación horizontal para ajustar el ángulo de entrada del haz en el al on.

Una vez más, supervise la imagen en la pantalla del ordenador para obtener retroalimentación sobre los ajustes de inclinación. En este punto, se ha completado la configuración horizontal del espectrómetro. Para configurar la etapa vertical, deslice el vipa fuera del haz utilizando la etapa de traslación.

A continuación, en una posición situada a 200 milímetros delante de la lente esférica, coloque una máscara vertical montada sobre una plataforma de traslación vertical, de modo que la máscara pueda desplazarse fuera de la trayectoria del haz. Asegúrese de que la máscara vertical se image nítidamente sobre la cámara CCD.

El siguiente componente será una lente cilíndrica. A 600 milímetros frente a la máscara vertical. Utilice un soporte para postes y coloque una lente de longitud focal de 200 milímetros entre dos iris.

El segundo vipa estará en una etapa de traslación vertical a 200 milímetros delante de la lente cilíndrica. Tenga el soporte del vipa sobre una etapa de traslación vertical colocada de manera que permita mover el vipa fuera del camino del haz. Monte el vipa utilizando un poste y un soporte para poste en la etapa, teniendo cuidado de orientar su ranura de entrada horizontalmente con precisión.

Ajuste la posición del vipa para colocarlo exactamente en el plano focal de la lente cilíndrica. Luego, retírelo del trayecto del haz. El elemento final es una segunda lente cilíndrica.

Colocado a 200 milímetros delante de la máscara vertical. Para esta lente, coloque una etapa translacional orientada a lo largo del montaje del camino óptico y alinee la segunda lente cilíndrica sobre la etapa. Regrese a la vipa vipa colocada más recientemente y trasládela de vuelta al camino del haz.

Utilice el grado de libertad de traslación vertical para ajustar la posición de entrada del haz en el al. Observe el efecto del ajuste en la imagen de la cámara en la pantalla del monitor. Continúe ajustando el grado de libertad de inclinación vertical para sintonizar el ángulo de entrada del haz.

Observe el monitor de la computadora para obtener retroalimentación sobre los efectos de los ajustes. Ahora es el momento de combinar las dos etapas del sistema. Haga esto deslizando VIPA dos, la primera que se montó en la trayectoria óptica.

Ajuste el vipa S mientras observa los puntos espaciados horizontal y verticalmente. El monitor de la computadora se detendrá cuando los puntos que presentan la firma espectral del láser de frecuencia única estén enfocados. Tome una imagen de la firma utilizando el software de la cámara en este programa.

Haga clic derecho en la imagen y elija la opción de gráfico de líneas. Arrastre el cursor diagonalmente a través de la imagen para generar un gráfico de líneas. Luego, suelte el cursor para ver el gráfico que se utilizará para determinar la finura; en este gráfico de ejemplo, se indican las dos mediciones requeridas.

Primero, mida la distancia diagonal entre dos puntos, el rango espectral libre. A continuación, mida el ancho total a la mitad del máximo. Divida el rango espectral libre por el ancho total a la mitad del máximo, y continúe si la relación es mayor que 30.

De regreso en el banco de trabajo, rodee el espectrómetro con un armazón de caja cubierto con tela opaca, como se muestra aquí con una configuración diferente. Antes de continuar, asegúrese de que las máscaras y el vipa estén fácilmente accesibles. Finalmente, conecte la fibra a una sonda óptica estándar. En este caso, un microscopio confocal va aquí.

Se utiliza un montaje descubierto para demostrar los pasos en la medición del corrimiento de brion. Primero, seleccione una de las máscaras que se ajustará. En este caso, comience a cerrar la máscara horizontal utilizando su micrómetro.

Observe la firma del láser en el monitor del ordenador. El objetivo consiste en bloquear la firma del láser que se ve en las esquinas. Utilice la etapa de traslación para centrar horizontalmente la máscara y así ayudar a bloquear la firma.

Continúe observando el comportamiento de la firma del láser en el monitor. Itere entre cerrar y trasladar la máscara hasta que la firma esté bloqueada. Luego, haga lo mismo con la máscara vertical.

Con la muestra cargada, abra la máscara del estadio vertical para comenzar a optimizar el rendimiento del estadio vertical. Pase luego al vipa del estadio vertical y varíe la posición de inclinación del vipa para explorar diferentes ángulos de entrada al AL, escaneando los órdenes del espectrómetro, y deténgase en el orden con la señal más nítida. Cierre nuevamente la máscara hasta que la señal del láser desaparezca.

Repita el proceso de optimización con la máscara horizontal y el vipa antes de realizar las mediciones. A continuación se muestran espectros Brion medidos para metanol, etanol y poliestireno. En estas gráficas, los datos medidos aparecen en azul.

El ajuste de la curva Lian está en rojo. Las vipa utilizadas tienen cinco milímetros de grosor, lo que proporciona un rango espectral libre de aproximadamente 20 gigahercios. El tiempo de integración fue de 100 milisegundos.

Se realizaron 100 mediciones y se promediaron. Los desplazamientos de Brion coinciden con los resultados publicados previamente. Este histograma muestra los desplazamientos de Brion encontrados en 250 mediciones secuenciales de metanol.

Los datos ayudaron a determinar si el alineamiento del espectrómetro es óptimo. Un espectrómetro bien alineado con cinco milivatios de luz en la muestra y un tiempo de integración de 100 milisegundos tendrá una desviación estándar de aproximadamente 10 megahercios. Al realizar este procedimiento, es importante recordar cambiar la configuración de la cámara cuando se utiliza luz láser o luz dispersada.

De lo contrario, la cámara E-M-C-C-D se saturará y se degradará con el tiempo. No olvide que trabajar con láseres puede ser extremadamente peligroso y que siempre se deben tomar precauciones, como no mirar directamente hacia el haz láser. Usar gafas de seguridad y alinear por debajo del nivel de los ojos debe ser una práctica constante al realizar este procedimiento.