Ad alta velocità continuo-fluttui stimolato Brillouin Scattering spettrometro per analisi materiali

L'obiettivo di questo esperimento è quello di costruire e far funzionare uno spettrometro di scattering di Brillouin stimolato ad onda continua per acquisire spettri di Brillouin stimolati dalla trasmissione di campioni torbidi e non torbidi con alta risoluzione e velocità spettrale. Questo metodo può far progredire l'uso della spettroscopia e dell'imaging di Brillouin per studiare la meccanica di biomateriali come cellule e tessuti. Il vantaggio principale di questa tecnica è che può fornire una rapida acquisizione degli spettri di Brillouin di materia torbida e non torbida.

Per iniziare l'esperimento, verificare che i componenti dello spettrometro CW-SBS siano montati saldamente su una scheda ottica. Verificare che il software di acquisizione dati personalizzato riceva i dati dal contatore di frequenza a microonde, dall'amplificatore di blocco, dai controller laser della pompa e della sonda e dal generatore di funzioni. Quindi riempire con acqua distillata una camera di campionamento composta da due vetrini di vetro da 25 millimetri di diametro e 0,17 millimetri di spessore e nastro in politetrafluoroetilene di 500 micrometri di spessore.

Montare un portacamera su uno stadio di traslazione motorizzato a tre assi. Fissare il campione d'acqua nel supporto della camera. Traslare il campione nel punto di messa a fuoco comune della sonda e pompare le lenti di messa a fuoco.

Quindi regolare la manopola della corrente del controller laser della pompa dell'amplificatore conico fino a quando la potenza del laser della pompa non supera i 250 milliwatt. Impostare la costante di tempo dell'amplificatore di blocco su un secondo, il filtro passa-basso su 24 decibel per ottava e la sensibilità su un millivolt RMS. Impostare lo sfasamento tra il riferimento dell'amplificatore e gli ingressi del segnale su zero.

Durante il monitoraggio delle riflessioni della pompa vagante sul canale uno, regolare lentamente la corrente laser della pompa fino a quando le riflessioni osservate non sono al minimo. Quindi impostare l'alimentazione del gruppo di riscaldamento della cella a vapore di rubidio a 17 volt CC.Una volta che la cella al rubidio si stabilizza a 90 gradi Celsius, posizionare il misuratore di potenza prima della lente di messa a fuoco laser della sonda. Regolare lentamente la corrente del laser della sonda fino a quando la potenza misurata non supera i 10 milliwatt.

Quindi, sposta il misuratore di potenza dietro la cella al rubidio. Regolare la temperatura del laser della sonda fino a quando la potenza misurata non è al minimo. Quindi regolare la corrente del laser della sonda fino a quando la potenza misurata non si stabilizza sopra i 10 milliwatt.

Modificare la corrente del laser della sonda per impostare la desintonizzazione della frequenza tra la pompa e i laser della sonda su circa lo spostamento di Brillouin del campione. Impostare la sensibilità dell'amplificatore di blocco a 100 microvolt RMS e riportare lo sfasamento a zero. Quindi ruotare con cautela le viti di beccheggio e imbardata del supporto cinematico dello specchio pieghevole del raggio della pompa e trasferire la lente di focalizzazione della pompa lungo l'asse ottico del sistema per ottimizzare l'efficienza di attraversamento dei laser della pompa e della sonda.

Bloccare il raggio della sonda e annotare i livelli delle riflessioni laser della pompa parassita durante il monitoraggio del canale uno dell'amplificatore di blocco. È fondamentale respingere correttamente i riflessi vaganti della pompa dalla camera e dal campione. Se necessario, chiudere leggermente l'iride posta davanti alla cella di rubidio e aumentare leggermente l'angolo di trasversale tra la pompa e il laser sonda per migliorare i livelli di rifiuto.

Sbloccare il raggio della sonda e continuare a regolare lo specchio laser della pompa e la lente di messa a fuoco fino a quando il segnale di guadagno di Brillouin stimolato non supera al massimo i due microvolt RMS e le riflessioni della pompa parassita sono al minimo costante. Una volta che il sistema è stato ottimizzato per il campione, creare una curva di calibrazione da un grafico della corrente di modulazione sondata rispetto alla desintonizzazione della frequenza pompa-sonda. Impostare la costante di tempo dell'amplificatore di blocco su un valore maggiore o uguale a 100 microsecondi.

Impostare il generatore di funzioni collegato all'ingresso di modulazione di corrente del controller laser sul canale uno. Selezionate una forma d'onda triangolare, impostate l'ampiezza su una tensione da picco a picco di 150 millivolt e impostate la frequenza su 50 Hertz. Impostare la frequenza di campionamento dell'unità di acquisizione dati su un valore inferiore o uguale a 100.000 campioni al secondo per canale.

Utilizzando il software di acquisizione dati personalizzato, registrare i segnali di corrente di modulazione laser SBG e sonda per almeno 10 millisecondi. Importare i dati acquisiti nel software computazionale. Utilizzare la curva di calibrazione per convertire i valori della corrente di modulazione laser della sonda misurati nei valori di detuning della frequenza pompa-sonda.

Sottrarre il rumore di fondo medio. Tracciare le misurazioni SBG rispetto ai valori di detuning della frequenza pompa-sonda per generare lo spettro SBG. Adatta lo spettro con una curva lorentziana utilizzando l'ampiezza, la posizione della frequenza e l'intera larghezza a metà del punto più alto dello spettro come valori iniziali.

Calcola lo spostamento di Brillouin e la larghezza della linea dalle posizioni di frequenza rispettivamente del massimo e della larghezza completa a metà del massimo dell'adattamento lorentziano. Utilizzare i valori degli spettri adattati lorentziani ripetuti per generare un istogramma corrispondente. Utilizzando questo metodo, sono stati generati spettri SBG di acqua distillata e campioni di tessuto di emulsione lipidica con una risoluzione spaziale di circa otto micrometri.

I campioni d'acqua sono stati acquisiti in 10 secondi e 10 millisecondi e i campioni lipidici sono stati acquisiti in 10 secondi e 100 millisecondi. Gli spostamenti medi di Brillouin determinati dagli spettri rapidamente acquisiti erano di 5,08 gigahertz per l'acqua e 5,11 gigahertz per il fantoccio tissutale. Questi valori erano coerenti con quelli calcolati dagli spettri registrati in 10 secondi e con i valori della letteratura.

Sono state eseguite 200 misurazioni successive su ciascun campione e sono state valutate le deviazioni standard delle distribuzioni degli spostamenti di Brillouin stimati. Le deviazioni standard erano di 8,5 megahertz e 33 megahertz rispettivamente per i campioni di acqua e tessuto. Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione di come assemblare e utilizzare uno spettrometro di scattering Brillouin stimolato per misurare rapidamente gli spettri guadagnati da Brillouin di acqua stimolata e campioni simili a tessuti in modalità di trasmissione.