Spectromètre à diffusion Brillouin stimulée onde continue à grande vitesse pour l’analyse des matériaux

Le but de cette expérience est de construire et d’exploiter un spectromètre de diffusion Brillouin stimulé par ondes continues pour acquérir des spectres Brillouin stimulés par transmission d’échantillons turbides et non turbides avec une résolution et une vitesse spectro élevées. Cette méthode peut faire progresser l’utilisation de la spectroscopie et de l’imagerie Brillouin pour étudier la mécanique des biomatériaux tels que les cellules et les tissus. Le principal avantage de cette technique est qu’elle permet d’acquérir rapidement des spectres Brillouin de matières troubles et non turbides.

Pour commencer l’expérience, vérifiez que les composants du spectromètre CW-SBS sont solidement montés sur une carte optique. Vérifiez que le logiciel d’acquisition de données personnalisé reçoit des données du compteur de fréquence micro-ondes, de l’amplificateur de verrouillage, des contrôleurs laser de la pompe et de la sonde et du générateur de fonctions. Remplissez ensuite d’eau distillée une chambre d’échantillonnage composée de deux lamelles en verre de 25 millimètres de diamètre et de 0,17 millimètre d’épaisseur et d’un ruban de polytétrafluoroéthylène de 500 micromètres d’épaisseur.

Montez un support de chambre sur une platine de translation motorisée à trois axes. Fixez l’échantillon d’eau dans le support de la chambre. Traduisez l’échantillon jusqu’au point focal commun de la sonde et des lentilles de mise au point de la pompe.

Ajustez ensuite le bouton de courant du contrôleur laser de pompe d’amplification conique jusqu’à ce que la puissance laser de la pompe soit supérieure à 250 milliwatts. Réglez la constante de temps de verrouillage de l’amplificateur à une seconde, le filtre passe-bas à 24 décibels par octave et la sensibilité à un millivolt RMS. Réglez le déphasage entre la référence de l’amplificateur et les entrées de signal à zéro.

Tout en surveillant les réflexions parasites de la pompe sur le premier canal, ajustez lentement le courant laser de la pompe jusqu’à ce que les réflexions observées soient au minimum. Réglez ensuite l’alimentation de l’ensemble de chauffage de la cellule à vapeur de rubidium sur 17 volts DC.Une fois que la cellule au rubidium se stabilise à 90 degrés Celsius, placez le wattmètre avant la lentille de mise au point laser de la sonde. Ajustez lentement le courant laser de la sonde jusqu’à ce que la puissance mesurée soit supérieure à 10 milliwatts.

Ensuite, déplacez le wattmètre derrière la pile au rubidium. Ajustez la température du laser de la sonde jusqu’à ce que la puissance mesurée soit au minimum. Ajustez ensuite le courant laser de la sonde jusqu’à ce que la puissance mesurée se stabilise au-dessus de 10 milliwatts.

Modifiez le courant du laser de la sonde pour régler le désaccord de fréquence entre la pompe et les lasers de sonde à environ le décalage Brillouin de l’échantillon. Réglez la sensibilité de l’amplificateur de verrouillage sur 100 microvolts RMS et remettez le déphasage à zéro. Ensuite, tournez avec précaution les vis de pas et de lacet du faisceau de pompe de la monture cinématique du miroir pliant et transférez la lentille de focalisation de la pompe le long de l’axe optique du système pour optimiser l’efficacité de croisement des lasers de la pompe et de la sonde.

Bloquez le faisceau de la sonde et notez les niveaux de réflexions laser de la pompe parasite tout en surveillant le premier canal de l’amplificateur de verrouillage. Il est essentiel de rejeter correctement les réflexions parasites de la pompe de la chambre et de l’échantillon. Si nécessaire, fermez légèrement l’iris placé devant la cellule de rubidium et augmentez légèrement l’angle de croisement entre la pompe et le laser de la sonde pour améliorer les niveaux de rejet.

Débloquez le faisceau de la sonde et continuez à régler la pompe, le laser, le miroir et la lentille de focalisation jusqu’à ce que le signal de gain Brillouin stimulé soit à un maximum supérieur à deux microvolts RMS et que les réflexions parasites de la pompe soient à un minimum constant. Une fois que le système a été optimisé pour l’échantillon, créez une courbe d’étalonnage à partir d’un tracé du courant de modulation sondé en fonction du désaccord de fréquence pompe-sonde. Réglez la constante de temps de verrouillage de l’amplificateur sur une valeur supérieure ou égale à 100 microsecondes.

Réglez le générateur de fonctions connecté à l’entrée de modulation de courant du contrôleur laser sur le canal un. Sélectionnez une forme d’onde triangulaire, réglez l’amplitude sur une tension de crête à crête de 150 millivolts et réglez la fréquence sur 50 Hertz. Réglez la fréquence d’échantillonnage de l’unité d’acquisition de données sur une valeur inférieure ou égale à 100 000 échantillons par seconde et par voie.

À l’aide du logiciel d’acquisition de données personnalisé, enregistrez les signaux de courant de modulation laser SBG et de sonde pendant au moins 10 millisecondes. Importez les données acquises dans un logiciel de calcul. Utilisez la courbe d’étalonnage pour convertir les valeurs de courant de modulation laser de la sonde mesurées en valeurs de désaccord de fréquence pompe-sonde.

Soustrayez le bruit de fond moyen. Comparez les mesures SBG aux valeurs de désaccord de fréquence pompe-sonde pour générer le spectre SBG. Ajustez le spectre avec une courbe lorentzienne en utilisant l’amplitude, la position de fréquence et la largeur totale à la moitié du point le plus élevé du spectre comme valeurs initiales.

Calculez le décalage de Brillouin et la largeur de la raie à partir des positions de fréquence du maximum et de la pleine largeur à la moitié de l’ajustement lorentzien respectivement. Utilisez les valeurs des spectres ajustés de Lorentz répétés pour générer un histogramme correspondant. Des spectres SBG d’échantillons d’eau distillée et de fantômes de tissus d’émulsion lipidique ont été générés à l’aide de cette méthode avec une résolution spatiale d’environ huit micromètres.

Les échantillons d’eau ont été acquis en 10 secondes et 10 millisecondes et les échantillons de lipides ont été acquis en 10 secondes et 100 millisecondes. Les décalages moyens de Brillouin déterminés à partir des spectres rapidement acquis étaient de 5,08 gigahertz pour l’eau et de 5,11 gigahertz pour le fantôme tissulaire. Ces valeurs étaient cohérentes avec celles calculées à partir des spectres enregistrés sur 10 secondes et avec les valeurs de la littérature.

200 mesures successives ont été effectuées sur chaque échantillon et les écarts-types des distributions des décalages de Brillouin estimés ont été évalués. Les écarts-types étaient de 8,5 mégahertz et de 33 mégahertz pour les échantillons d’eau et de tissus, respectivement. Après avoir regardé cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la façon d’assembler et d’utiliser un spectromètre de diffusion Brillouin stimulé pour mesurer rapidement les spectres obtenus par Brillouin stimulé d’échantillons d’eau et de tissus en mode transmission.