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

El objetivo de este experimento es construir y operar un espectrómetro de dispersión de Brillouin estimulado por onda continua para adquirir espectros de Brillouin estimulados por transmisión de muestras turbias y no turbias con alta resolución y velocidad espectral. Este método puede avanzar en el uso de la espectroscopia y la obtención de imágenes de Brillouin para investigar la mecánica de biomateriales como células y tejidos. La principal ventaja de esta técnica es que puede proporcionar una rápida adquisición de espectros de Brillouin de materia turbia y no turbia.

Para comenzar el experimento, verifique que los componentes del espectrómetro CW-SBS estén montados de forma segura en una placa óptica. Compruebe que el software de adquisición de datos personalizado esté recibiendo datos del contador de frecuencia de microondas, el amplificador de bloqueo, los controladores láser de bomba y sonda, y el generador de funciones. A continuación, llene con agua destilada una cámara de muestras hecha de dos cubreobjetos de vidrio de 25 milímetros de diámetro, 0,17 milímetros de espesor y cinta de politetrafluoroetileno de 500 micrómetros de grosor.

Monte un soporte de cámara en una plataforma de traslación motorizada de tres ejes. Asegure la muestra de agua en el soporte de la cámara. Transfiera la muestra al punto de enfoque común de la sonda y las lentes de enfoque de la bomba.

Luego, ajuste la perilla de corriente del controlador láser de la bomba del amplificador cónico hasta que la potencia del láser de la bomba sea superior a 250 milivatios. Ajuste la constante de tiempo del amplificador de bloqueo a un segundo, el filtro de paso bajo a 24 decibelios por octava y la sensibilidad a un milivoltio RMS. Ajuste el cambio de fase entre la referencia del amplificador y las entradas de señal a cero.

Mientras monitorea los reflejos de la bomba parásita en el canal uno, ajuste lentamente la corriente del láser de la bomba hasta que los reflejos observados sean mínimos. Luego configure la fuente de alimentación del conjunto de calentamiento de la celda de vapor de rubidio a 17 voltios CC. Una vez que la celda de rubidio se estabilice a 90 grados Celsius, coloque el medidor de potencia frente a la lente de enfoque láser de la sonda. Ajuste lentamente la corriente del láser de la sonda hasta que la potencia medida supere los 10 milivatios.

A continuación, mueva el medidor de potencia detrás de la celda de rubidio. Ajuste la temperatura del láser de la sonda hasta que la potencia medida esté al mínimo. A continuación, ajuste la corriente del láser de la sonda hasta que la potencia medida se estabilice por encima de los 10 milivatios.

Modifique la corriente del láser de la sonda para establecer la desafinación de frecuencia entre los láseres de la bomba y la sonda aproximadamente al desplazamiento de Brillouin de la muestra. Establezca la sensibilidad del amplificador de bloqueo en 100 microvoltios RMS y vuelva a poner a cero el cambio de fase. A continuación, gire con cuidado los tornillos de cabeceo y guiñada del soporte cinemático del espejo plegable del haz de la bomba y transfiera la lente de enfoque de la bomba a lo largo del eje óptico del sistema para optimizar la eficiencia de cruce de los láseres de la bomba y la sonda.

Bloquee el haz de la sonda y observe los niveles de los reflejos del láser de la bomba parásita mientras monitorea el canal uno del amplificador de bloqueo. Es fundamental rechazar adecuadamente los reflejos parásitos de la bomba de la cámara y la muestra. Si es necesario, cierre ligeramente el iris colocado delante de la célula de rubidio y aumente ligeramente el ángulo de cruce entre la bomba y el láser de la sonda para mejorar los niveles de rechazo.

Desbloquee el haz de la sonda y continúe ajustando la bomba, el láser, el espejo y la lente de enfoque hasta que la señal de ganancia de Brillouin estimulada esté en un máximo por encima de dos microvoltios RMS y las reflexiones de la bomba parásita estén en un mínimo constante. Una vez que el sistema se haya optimizado para la muestra, cree una curva de calibración a partir de un gráfico de corriente de modulación sondeada frente a la desafinación de frecuencia de la bomba y la sonda. Establezca la constante de tiempo del amplificador de bloqueo en mayor o igual a 100 microsegundos.

Configure el generador de funciones conectado a la entrada de modulación de corriente del controlador láser en el canal uno. Seleccione una forma de onda triangular, establezca la amplitud en un voltaje de pico a pico de 150 milivoltios y establezca la frecuencia en 50 hercios. Establezca la velocidad de muestreo de la unidad de adquisición de datos en menor o igual a 100.000 muestras por segundo por canal.

Con el software de adquisición de datos personalizado, registre las señales de corriente de modulación láser SBG y de la sonda durante al menos 10 milisegundos. Importar los datos adquiridos en software computacional. Utilice la curva de calibración para convertir los valores medidos de la corriente de modulación láser de la sonda a los valores de desafinación de frecuencia de la bomba y la sonda.

Resta el ruido de fondo medio. Trace las mediciones de SBG con respecto a los valores de desafinación de frecuencia de la bomba y la sonda para generar el espectro de SBG. Ajuste el espectro con una curva lorentziana utilizando la amplitud, la posición de frecuencia y el ancho completo a la mitad del punto más alto del espectro como valores iniciales.

Calcule el desplazamiento de Brillouin y el ancho de línea a partir de las posiciones de frecuencia del máximo y el ancho completo a la mitad del máximo del ajuste Lorentziano respectivamente. Utilice los valores de los espectros lortzianos ajustados repetidos para generar un histograma correspondiente. Los espectros SBG de muestras fantasma de agua destilada y tejido en emulsión lipídica se generaron utilizando este método con una resolución espacial de aproximadamente ocho micrómetros.

Las muestras de agua se adquirieron en 10 segundos y 10 milisegundos y las muestras de lípidos se adquirieron en 10 segundos y 100 milisegundos. Los desplazamientos medios de Brillouin determinados a partir de los espectros rápidamente adquiridos fueron de 5,08 gigahercios para el agua y de 5,11 gigahercios para el maniquí tisular. Estos valores fueron consistentes con los calculados a partir de los espectros registrados durante 10 segundos y con los valores de la literatura.

Se realizaron 200 mediciones sucesivas en cada muestra y se evaluaron las desviaciones estándar de las distribuciones de los turnos de Brillouin estimados. Las desviaciones estándar fueron de 8,5 megahercios y 33 megahercios para las muestras de agua y tejido, respectivamente. Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo ensamblar y operar un espectrómetro de dispersión de Brillouin estimulado para medir rápidamente espectros ganados de Brillouin estimulados de muestras de agua y tejidos en modo de transmisión.