Alta velocità sub-GHz spettrometro per l'analisi di Brillouin Scattering

L'obiettivo generale di questo spettrometro è misurare le firme di scattering di Brion nei tessuti e nei biomateriali. Gli spettri di scattering di Brion forniscono informazioni non invasive e senza contatto sulle proprietà dei materiali, come il modulo elastico longitudinale. Questo metodo può contribuire a rispondere a domande fondamentali nella biomeccanica dei tessuti. Ad esempio, nel tessuto corneale, possiamo misurare la resistenza corneale per la diagnosi e il trattamento del cheratocono.

Il vantaggio principale di questa tecnica è che possiamo eseguire l'analisi spettrale con una bassa potenza luminosa, rendendola sicura per l'uso in vivo, il che permette l'imaging biologico. Iniziare posizionando una telecamera e una fibra ottica su un banco ottico. Qui, una telecamera E-M-C-C-D è montata a un'estremità del percorso ottico. La telecamera deve acquisire immagini e visualizzarle su un monitor.

Circa 1600 millimetri davanti alla telecamera. Posizionare un collimatore in fibra all'altezza della telecamera. Collegare il collimatore a un laser a modo longitudinale singolo.

Utilizzare una potenza laser inferiore a 0,1 milliwatt e verificare l'allineamento spostando l'iride lungo l'asse ottico desiderato. Questo schema fornisce una panoramica della configurazione in questa fase. Successivamente, aggiungere una coppia di lenti aromatiche davanti alla telecamera.

Questa coppia di lenti aromatiche abbinata ha una lunghezza focale di 30 millimetri. Iniziare ora ad aggiungere elementi per la configurazione orizzontale. Innanzitutto, su un supporto di traslazione orizzontale, aggiungere una maschera orizzontale in modo che venga riprodotta sulla telecamera attraverso la lente aromatica.

La fase deve muoversi perpendicolarmente al percorso del fascio. Monitorare l'immagine sullo schermo del computer per verificare che l'immagine mostri bordi netti come in questa foto. Procedere alla preparazione per posizionare una lente sferica, a 600 millimetri davanti alla maschera orizzontale.

Preparare innanzitutto due diaframmi ciascuno su un supporto verticale e un relativo porta-supporto per facilitare l'allineamento del fascio; posizionare un diaframma tra la posizione prevista della lente e la maschera orizzontale. Posizionare l'altro diaframma oltre la posizione prevista della lente. Assicurarsi che l'altezza dei diaframmi permetta al fascio di passare pulitamente attraverso entrambi.

Dopo aver verificato l'allineamento, passare a lavorare con la lente sferica montata su asta con lunghezza focale di 200 millimetri. Utilizzare un supporto per asta per posizionare la lente a 600 millimetri davanti alla maschera orizzontale posta tra le due iridi e fissare il supporto per asta. Di seguito è riportato uno schema del setup dopo la lente sferica, con S1 in posizione.

L'elemento successivo da aggiungere è il primo degli array di fase a immagine virtuale, o VIPA. Per aggiungere il VIPA, posizionare sul banco un banco di traslazione orizzontale. Circa 200 millimetri davanti alla lente sferica, orientare il banco in modo che si muova perpendicolarmente al fascio; fissare al banco un supporto per VIPA montato su un asta e su un supporto per asta. Prendere ora il VIPA da montare.

Ogni vipa ha una fessura di ingresso, che deve essere orientata correttamente per questo vipa. Posizionarlo nel supporto del vipa con la fessura orientata verticalmente ed effettuare regolazioni fini sulla posizione del supporto del vipa, in modo che l'ingresso del vipa sia esattamente nel piano focale della lente sferica.

Continuare spostando il vipa fuori dal fascio per proseguire il montaggio. Successivamente, prepararsi a posizionare la seconda lente sferica, a 200 millimetri davanti alla maschera orizzontale con iridi su entrambi i lati per l'allineamento; notare che nel disegno lo schema del vipa due è spostato per indicare che si trova fuori dal percorso del fascio. Montare la lente sferica utilizzando un supporto su una piattaforma di traslazione posizionata tra le iridi.

Orientare la fase di traslazione in modo che si muova lungo il percorso ottico prima di procedere. Verificare che la riflessione posteriore dalla lente passi chiaramente attraverso l'iride. Inoltre, verificare che il fascio in uscita passi chiaramente attraverso l'iride sul lato opposto della lente.

Quindi spostare il vipa in modo che il suo ingresso SL sia nuovamente sul percorso del fascio. Eseguire questa operazione regolando la posizione della fase di traslazione a cui è collegato. Quando la luce entra nel vipa, osservare le linee verticali dell'immagine della telecamera sul monitor del computer.

Passare a regolare la posizione della seconda lente sferica osservando le linee sul monitor. Regolare finemente il palchetto di traslazione per rendere più nitide le linee e fermarsi quando le linee sono a fuoco. Successivamente, procedere con il supporto VIPA.

Per regolare lo spettro, utilizzare il grado di libertà di traslazione orizzontale per regolare la posizione di ingresso del fascio nel lon. Osservare la risposta dell'immagine sul monitor del computer mentre la fenditura di ingresso viene traslata. Inoltre, utilizzare il grado di libertà di inclinazione orizzontale per regolare l'angolo di ingresso del fascio nell'al on.

Anche in questo caso, monitorare l'immagine sullo schermo del computer per ricevere un feedback sui regolaggi dell'inclinazione. A questo punto, la regolazione orizzontale dello spettrometro è completata. Per configurare la regolazione verticale, spostare il vipa fuori dal fascio utilizzando la piattaforma traslazionale.

Successivamente, in una posizione situata a 200 millimetri davanti alla lente sferica, posizionare una maschera verticale montata su un supporto mobile in traslazione verticale, in modo da poter spostare la maschera fuori dal percorso del fascio. Assicurarsi che l'immagine della maschera verticale sia ben a fuoco sulla telecamera CCD.

Il componente successivo sarà una lente cilindrica. A 600 millimetri davanti alla maschera verticale. Utilizzare un supporto per asta per posizionare una lente con lunghezza focale di 200 millimetri tra due diaframmi.

Il secondo vipa sarà posizionato su un piano di traslazione verticale, a 200 millimetri davanti alla lente cilindrica. Assicurarsi che il supporto per il vipa sia montato su un piano di traslazione verticale, in modo da poter spostare il vipa fuori dal percorso del fascio. Montare il vipa utilizzando un asta e il relativo supporto sul piano, avendo cura di orientare orizzontalmente la fessura di ingresso con precisione.

Regolare la posizione del vipa in modo da posizionarlo esattamente nel piano focale della lente cilindrica. Successivamente, spostarlo fuori dal percorso del fascio. L'elemento finale è una seconda lente cilindrica.

Posizionato a 200 millimetri davanti alla maschera verticale. Per questa lente, posizionare un palco traslazionale orientato lungo il percorso ottico del montaggio e allineare la seconda lente cilindrica sul palco. Tornare all'ultimo vipa vipa posizionato e traslarlo nuovamente nel percorso del fascio.

Utilizzare il grado di libertà di traslazione verticale per regolare la posizione di ingresso del fascio nell'al. Osservare l'effetto della regolazione sull'immagine della telecamera visualizzata sul monitor del computer. Procedere quindi regolando il grado di libertà di inclinazione verticale per ottimizzare l'angolo di ingresso del fascio.

Monitorare lo schermo del computer per ricevere un feedback sugli effetti delle regolazioni. Ora è il momento di combinare le due fasi del sistema. Eseguire questa operazione facendo scorrere VIPA due, il primo montato nel percorso ottico.

Regolare il vipa S osservando i puntini disposti orizzontalmente e verticalmente. Il monitor del computer si ferma quando i puntini corrispondenti alla firma spettrale del laser a singola frequenza sono a fuoco. Acquisire un'immagine della firma utilizzando il software della telecamera in questo software.

Fare clic con il tasto destro sull'immagine e scegliere l'opzione grafico lineare. Trascinare il cursore diagonalmente attraverso l'immagine per generare un grafico lineare. Quindi rilasciare il cursore per visualizzare il grafico che verrà utilizzato per determinare la finesse; in questo grafico di esempio, le due misurazioni richieste sono indicate.

Per prima cosa, misurare la distanza diagonale tra due punti, ovvero la gamma spettrale libera. Successivamente, misurare la larghezza a metà altezza massima. Dividere la gamma spettrale libera per la larghezza a metà altezza massima e procedere solo se il rapporto è maggiore di 30.

Di ritorno al banco di lavoro, circondare lo spettrometro con una struttura a scatola rivestita in tessuto oscurante, come mostrato qui con un diverso allestimento; prima di proseguire, assicurarsi che le maschere e il vipa siano facilmente accessibili. Infine, collegare la fibra a una sonda ottica standard. In questo caso, posizionare qui un microscopio confocale.

Viene utilizzato un apparato scoperto per dimostrare i passaggi della misurazione dello spostamento di Bragg. Per prima cosa, selezionare una delle maschere da regolare. In questo caso, iniziare a chiudere la maschera orizzontale utilizzando il suo micrometro.

Osservare la firma del laser sul monitor del computer. L'obiettivo è bloccare la firma del laser visibile negli angoli. Utilizzare la fase di traslazione per centrare orizzontalmente la maschera e facilitare il blocco della firma.

Continuare a osservare il comportamento della firma laser sul monitor. Alternare tra chiusura e traslazione della maschera fino a quando la firma non viene bloccata. Successivamente, eseguire la stessa operazione con la maschera verticale.

Una volta caricato il campione, aprire la maschera dello stadio verticale per iniziare a ottimizzare la resa dello stadio verticale. Passare quindi al vipa dello stadio verticale, variando la posizione di inclinazione del vipa per coprire diversi angoli di ingresso all'AL, esplorando gli ordini dello spettrometro, e fermarsi all'ordine con il segnale più nitido. Chiudere nuovamente la maschera fino a quando il segnale laser non scompare.

Ripetere il processo di ottimizzazione con la maschera orizzontale e il vipa prima di effettuare le misurazioni. Qui di seguito sono riportati gli spettri Brion misurati per metanolo, etanolo e polistirene. In questi grafici, i dati misurati sono in blu.

L'adattamento della curva di Lian è in rosso. I vipa utilizzati hanno uno spessore di cinque millimetri, fornendo un intervallo spettrale libero di circa 20 gigahertz. Il tempo di integrazione è stato di 100 millisecondi.

Sono state effettuate 100 misurazioni e ne è stata calcolata la media. Gli spostamenti di Brion sono in accordo con i risultati pubblicati in precedenza. Questo istogramma rappresenta gli spostamenti di Brion rilevati in 250 misurazioni sequenziali di metanolo.

I dati hanno aiutato a determinare se l'allineamento dello spettrometro è ottimale. Uno spettrometro ben allineato con cinque milliwatt di luce sul campione e un tempo di integrazione di 100 millisecondi avrà una deviazione standard di circa 10 megahertz. Durante l'esecuzione di questa procedura, è importante ricordare di modificare le impostazioni della fotocamera quando si utilizza luce laser o luce diffusa.

In caso contrario, la fotocamera E-M-C-C-D si saturerà e si deteriorerà nel tempo. Non dimenticare che lavorare con i laser può essere estremamente pericoloso e che è necessario adottare precauzioni, come non guardare mai direttamente nel fascio laser. Indossare occhiali di protezione e allineare il fascio al di sotto del livello degli occhi dovrebbe essere sempre praticato durante l'esecuzione di questa procedura.