ספקטרומטר תת-GHz מהירות גבוהה לניתוח פיזור רילואן

המטרה הכללית של ספקטרומטר זה היא למדוד חתימות פיזור בריון (Brion scattering) של רקמות וחומרים ביולוגיים. ספקטראי פיזור בריון מספקים מידע ללא מגע ובאופן לא פולשני על תכונות חומרים, כגון מודול האלסטיות האורכי. שיטה זו יכולה לסייע במתן מענה לשאלות מפתח בביומכניקה של רקמות. לדוגמה, ברקמת קרנית, ניתן למדוד את חוזק הקרנית לצורך אבחון וטיפול בקרטוקונוס.

היתרון המרכזי של טכניקה זו הוא שניתן לבצע ניתוח ספקטרלי בעוצמת אור נמוכה, דבר ההופך אותה לבטוחה לשימוש in vivo, ובכך מאפשר דימות ביולוגי. התחל עם מצלמה וסיב אופטי הממוקמים על שולחן אופטי. כאן, מצלמת E-M-C-C-D מותקנת בקצה אחד של הנתיב האופטי. על המצלמה לרכוש תמונות ולהציג אותן על גבי מסך.

כ-1600 millimeters לפני המצלמה. מקמו קולימטור סיב בגובה המצלמה. חברו את הקולימטור ללייזר בעל אופן לונגיטודי בודד.

השתמש בהספק לייזר של פחות מ-0.1 milliwatts ובדוק את היישור על ידי הזזת הצמצם (iris) לאורך הציר האופטי הרצוי. סכימה זו מספקת סקירה כללית של ההגדרה בשלב זה. לאחר מכן, הוסף זוג עדשות ארומטיות לפני המצלמה.

לזוג עדשות אכרומטיות תואמות אלה יש אורך מוקד של 30 מילימטרים. כעת התחילו להוסיף רכיבים לבמה האופקית. ראשית, על במת הזזה אופקית, הוסיפו מסכה אופקית כך שהעדשה האכרומטית תדמה אותה על המצלמה.

על הבמה לנוע בניצב למסלול הקרן. עקבו אחר התמונה על מסך המחשב כדי לוודא שהתמונה מראה קצוות חדים כפי שמוצג בתמונה זו. המשיכו להכנות להצבת עדשה כדורית, במרחק של 600 millimeters לפני המסכה האופקית.

ראשית, הכינו שני צמצמים (irises), כל אחד על מוט ומחזיק מוט, כדי לסייע ביישור הקרן; מקמו צמצם אחד בין המיקום המתוכנן של העדשה לבין המסכה האופקית. מקמו את הצמצם השני מעבר למיקום המתוכנן של העדשה. ודאו שגובה הצמצמים מאפשר לקרן לעבור דרכם בצורה נקייה.

בסיום בדיקת היישור, עברו לעבודה עם העדשה הכדורית המותקנת על מוט בעלת אורך מוקד של 200 millimeters. השתמשו במחזיק מוט כדי למקם את העדשה במרחק של 600 millimeters לפני המסכה האופקית, בין שני הצמצמים, והדקו את מחזיק המוט. להלן תרשים של המערך לאחר שהעדשה הכדורית, S1, נמצאת במיקומה.

הרכיב הבא שיש להוסיף הוא הראשון מבין מערכי הפאזה המדומים וירטואלית (vipa S). כדי להוסיף את ה-vipa, יש להציב במה עם תרגום אופקי על השולחן. כ-200 מילימטרים לפני העדשה הכדורית, כוון את הבמה לנוע בניצב לקרן; לבמה מוצמד מחזיק vipa המותקן על מוט ומחזיק מוט. כעת, קח את ה-vipa המיועד להתקנה.

לכל vipa יש חריץ כניסה, אשר חייב להיות מכוון כראוי עבור vipa זה. מקמו אותו במחזיק ה-vipa כאשר החריץ מכוון אנכית, ובצעו כיוונונים עדינים במיקום תושבת ה-vipa, כך שפתח הכניסה של ה-vipa יימצא בדיוק במישור המוקד של העדשה הכדורית.

המשך בהזזת ה-vipa אל מחוץ לקרן כדי להמשיך בהקמה. לאחר מכן, התכונן להצבת העדשה הספרית השנייה, 200 מילימטרים לפני המסכה האופקית עם צמצמים משני צדדיה לצורך כיוון; שים לב ש-Vipa two מוזזת בסכמה כדי לציין שהיא נמצאת מחוץ למסלול הקרן. התקן את העדשה הספרית באמצעות מוט על במה התרגולת (translation stage) בין הצמצמים.

כווננו את במת התרגום לנוע לאורך המסלול האופטי לפני ההמשך. ודאו שההחזרה האחורית מהעדשה עוברת בצורה נקייה דרך התריס (iris). כמו כן, ודאו שהקרן היוצאת עוברת בצורה נקייה דרך התריס בצדו השני של העדשה.

לאחר מכן, הזז את ה-vipa כך שפתח ה-SL שלו יהיה שוב בנתיב הקרן. בצע זאת על ידי כיוונון מיקומה של במת ההזזה (translation stage) שאליה הוא מחובר. כאשר האור נכנס ל-vipa, עקב אחר הקווים האנכיים של תמונת המצלמה על מסך המחשב.

המשך בכוונון מיקום העדשה הכדורית השנייה תוך צפייה בקוים על המסך. בצע כוונון עדין של במת ההזזה כדי להדגיש את הקוים, והפסק כאשר הקוים הופכים לחדים. לאחר מכן, עבוד עם מחזיק ה-vipa.

כדי לכוון את הספקטרום, השתמש בדרגת החופש של התרגום האופקי כדי לדייק את מיקום הכניסה של הקרן לסדק הכניסה. עקוב אחר תגובת התמונה על מסך המחשב בזמן הזזת סדק הכניסה. בנוסף, השתמש בדרגת החופש של ההטיה האופקית כדי לדייק את זווית הכניסה של הקרן לסדק הכניסה.

שוב, עקבו אחר התמונה על מסך המחשב כדי לקבל משוב על התאמות ההטיה. בשלב זה, הגדרת השלב האופקי של הספקטרומטר הושלמה. כדי להגדיר את השלב האנכי, הזיזו את ה-vipa אל מחוץ לקרן באמצעות שלב ההזזה (translational stage).

לאחר מכן, במיקום הנמצא 200 millimeters לפני העדשה הכדורית, הציבו מסכה אנכית המותקנת על במה העברה אנכית כדי לאפשר למסכה לזוז מנתיב הקרן. ודאו שהמסכה האנכית מדומהה באופן חד על מצלמת ה-CCD.

הרכיב הבא יהיה עדשה גלילית. 600 millimeters לפני המסכה האנכית. השתמש במחזיק מוט כדי להניח עדשה בעלת אורך מוקד של 200 millimeter בין שני צמצמים (irises).

ה-vipa השני ימוקם על במה להזזה אנכית 200 מילימטרים לפני העדשה הגלילית. יש להשתמש במחזיק vipa על במה להזזה אנכית כדי לאפשר את הוצאת ה-vipa מנתיב הקרן. התקן את ה-vipa לבמה באמצעות מוט ומחזיק מוט, תוך הקפדה על כיוון מדויק ואופקי של חריץ הכניסה שלו.

כווננו את מיקום ה-vipa כך שיהיה בדיוק במישור המוקד של העדשה הגלילית. לאחר מכן, הסיטו אותו מנתיב הקרן. האלמנט האחרון הוא עדשה גלילית שנייה.

מוצב במרחק של 200 millimeters לפני המסכה האנכית. עבור עדשה זו, מקם במה תרגומית המכוונת לאורך נשא נתיב האור ויישר את העדשה הגלילית השנייה על הבמה. חזור אל ה-vipa vipa האחרון שהוצב והזז אותו בחזרה אל נתיב הקרן.

השתמש במעלה החופש של התרגום האנכי כדי לכוון את מיקום הכניסה של הקרן אל ה-al on. צפה בהשפעת הכיוונון על תמונת המצלמה במסך המחשב. המשך בכיוונון מעלה החופש של ההטיה האנכית כדי לכוון את זווית הכניסה של הקרן.

עקבו אחר מסך המחשב כדי לקבל משוב על השפעות הכיונונים. כעת הגיע הזמן לשלב את שני השלבים של המערכת. בצעו זאת על ידי החלקת ה-VIPA השני, כאשר הראשון כבר מותקן במסלול האופטי.

כווננו את ה-vipa S תוך התבוננות בנקודות המרוחקות אופקית ואנכית. הפסיקו את פעולת מסך המחשב כאשר הנקודות של החתימה הספקטרלית של לייזר בתדר יחיד נמצאות במיקוד. צלמו תמונה של החתימה באמצעות תוכנת המצלמה בתוכנה זו.

לחצו לחיצה ימנית על התמונה ובחרו באפשרות line plot. גררו את הסמן באלכסון על פני התמונה כדי להפיק גרף קו. לאחר מכן שחררו את הסמן כדי לצפות בגרף שישמש לקביעת ה-finesse; בגרף לדוגמה זה, שתי המדידות הנדרשות מסומנות.

ראשית, מדדו את המרחק האלכסוני בין שתי נקודות, הטווח הספקטרלי החופשי (free spectral range). לאחר מכן, מדדו את הרוחב המלא בחצי הגובה (full width at half maximum). חלקו את הטווח הספקטרלי החופשי ברוחב המלא בחצי הגובה, והמשיכו בביצוע הפעולה אם היחס גדול מ-30.

בחזרה לספסול המעבדה, הקיפו את הספקטרומטר בשלד קופסה המכוסה בבד חסיך אור, כפי שמוצג כאן בהגדרה שונה; לפני ההמשך, ודאו שהמסכות וה-vipa נגישות בקלות. לבסוף, חברו את הסיב לגשש אופטי סטנדרטי. במקרה זה, כאן יבוא מיקרוסקופ קונפוקאלי.

מערך פתוח משמש להדגמת השלבים במדידת הסטה של בריון (brion shift). ראשית, בחרו את אחת המסיכות שיוטלו לכיול. במקרה זה, התחילו בסגירת המסיכה האופקית באמצעות המיקרומטר שלה.

הבחינו בחתימת הלייזר על מסך המחשב. המטרה היא לחסום את חתימת הלייזר הנראית בפינות. השתמשו בבמה המעתיקה כדי למרכז את המסכה באופן אופקי כדי לסייע בחסימת החתימה.

המשיכו לעקוב אחר התנהגות חתימת הלייזר על המסך. חזרו על פעולות הסגירה וההזזה של המסכה עד שחתימת הלייזר תיחסם. לאחר מכן, בצעו את אותה פעולה עם המסכה האנכית.

לאחר טעינת הדגימה, פתחו את מסיכת הבמה האנכית כדי להתחיל באופטימיזציה של תפוקת הבמה האנכית. עברו לבמה האנכית vipa vipa one ושנו את מיקום הנטייה של ה-vipa כדי לסרוק את טווח זוויות הקלט ל-AL תוך סריקה של סדרי הספקטרומטר, ועצרו בסדר בעל האות החדה ביותר. סגרו שוב את המסיכה עד שהאות הלייזר נעלם.

חזור על תהליך האופטימיזציה עם המסכה האופקית וה-vipa לפני ביצוע המדידות. להלן ספקטרום Brion שנמדד עבור מתנול, אתנול ופוליסטירן. בגרפים אלו, הנתונים שנמדדו מופיעים בכחול.

התאמת עקומת ליאן (Lian) מופיעה באדום. ה-vipa שנעשה בהם שימוש הם בעובי של 5 mm, מה שמעניק טווח ספקטרלי חופשי (free spectral range) של כ-20 GHz. זמן האינטגרציה היה 100 ms.

נלקחו 100 מדידות וחושב ממוצען. התסות של בריון (Brion shifts) תואמות לתוצאות שפורסמו בעבר. היסטוגרמה זו מציגה את התסות של בריון שנמצאו ב-250 מדידות רצופות של מתנול.

הנתונים עזרו לקבוע האם כיול הספקטרומטר הוא אופטימלי. ספקטרומטר מכויל היטב, עם 5 mW של אור על הדגימה וזמן אינטגרציה של 100 milliseconds, יציג סטיית תקן של כ-10 MHz. בעת ביצוע הליך זה, חשוב לזכור לשנות את הגדרות המצלמה כאשר נעשה שימוש באור לייזר או באור מפזור.

במידה ולא, מצלמת ה-E-M-C-C-D תגיע לרוויה ותיהרס עם הזמן. זכרו שעבודה עם לייזרים עלולה להיות מסוכנת ביותר, ויש לנקוט באמצעי זהירות כגון אי-הסתכלות ישירה אל תוך קרן הלייזר. בעת ביצוע הליך זה, יש להרכיב תמיד משקפי מגן ולבצע את הכיוונון מתחת לגובה העיניים.