方法論記事

材料の分析のための高速連続誘導ブリルアン散乱分光器

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DOI：

10.3791/55527

⸱

2017年9月22日

 ,  , 
1Biomedical Engineering Department, Ben-Gurion University of the Negev, 2Ilse Katz Institute for Nanoscale Science and Technology, Ben-Gurion University of the Negev

この記事について

サマリー

急速な continuous-波動-刺激-ブリルアン散乱 (CW-SBS) 装置の建設について述べる。分光計は、単一周波数ダイオード レーザーを採用しています、高スペクトル分解で濁った/非混濁試料の透過スペクトルを取得する原子蒸気のノッチ フィルターの分光器 CW SBS 既存のものより速く 100 倍まで速度。この改善により、高速ブリルアン材料分析です。

要約

近年は、自発的なブリルアン分光計の水溶液など生体材料、高速集録回ソフトマターの非接触解析用の大幅な増加を目撃しています。ここでは、アセンブリを論じるし、ブリルアン分光計を使用しての操作と誘起誘導ブリルアン散乱 (SBS) 水と脂質エマルジョン系組織のようなサンプルの伝送モードで誘導ブリルアン利得 (SBG) スペクトルを測定する < 10 MHzスペクトル分解能と < 35 MHz におけるブリルアン シフト測定精度 < 分光計約 780 で連続波 (CW) 狭線幅レーザを対向する 2 つの構成 100 さん nm スキャンはその周波数の離調、材料におけるブリルアン シフト。雑音の比を信号 SBG 信号の超狭帯域ホット ルビジウム 85 蒸気ノッチ フィルターと位相敏感検出器を使用して、強化に比べて既存 CW SBS 分光器で得られる。この改善により、これにより高速で柔らかい材料の高スペクトル分解能・高精度ブリルアン解析を促進する時間を 100 倍近く高速捕捉と SBG スペクトルの測定です。

概要

自発ブリルアン分光法が確立された液体などの柔らかい材料の力学解析のための貴重なアプローチとして、近年実際組織、組織ファントムと生物細胞1,2, 3,4,5,6,7。このアプローチは、単一レーザー点灯サンプル、培地で自発熱音響波は弾性散乱光が分光装置は、試料の粘弾性特性の有用な情報を提供することによって収集します。自然のブリルアン スペクトルには音響のストークス ・反ストークス材料の共振で 2 つのブリルアン ピークには (弾性散乱光) による照明レーザー周波数でレイリーのピークが含まれます。ブリルアン散乱ジオメトリのブリルアン周波数は数 GHz で照明レーザー、高周波から移され、数百 MHz のスペクトル幅を持ちます。

における最近の技術の進歩は事実上相配列 (VIPA) をイメージ ファブリ ・分光計をスキャンと、ソフトマター1,2自発ブリルアン スペクトルを取得するためのシステムの選択がされているが、分光計は、適切なスペクトル分解能 (サブ GHz)3,4,5,6,7大幅に高速 (1 秒未満) ブリルアン計測を有効にしています。このプロトコルで異なる、高速、高スペクトル分解能、正確なブリルアン分光計の非混濁・濁水から continuous-波動-刺激-ブリルアン散乱 (CW-SBS) 光の検出に基づく建設を提案します。ほぼ後方散乱ジオメトリのサンプル。

CW SBS 分光における周波数で若干デチューン、(CW) の連続のポンプ ・ プローブ レーザーは音波を刺激するためにサンプルに重なります。ポンプ ・ プローブのビームの周波数の差には、材料の特定共鳴が一致すると、増幅またはプローブ信号のしたはによって提供される誘導ブリルアン利得または損失 (sbg 社/SBL) プロセス、それぞれ;それ以外の場合、SBS (de) の増幅には、8,9,10,11は発生しません。したがって、sbg 社 (SBL) スペクトルは材料ブリルアン共鳴間レーザーの周波数の差をスキャンし、検出の増加 (減少)、によって得ることができるまたは SBS によるプローブ強度 (損失) を得る。異なりの自発のブリルアン散乱弾性散乱背景が本質的に欠けている SBS、白濁と非混濁のサンプルで必要な VIPA とレイリー除去フィルターを必要とせずに優れたブリルアン コントラストを有効にすることで分光計10、11,13。

CW SBS 分光器の主要なビルディング ブロックは、ポンプ ・ プローブ レーザーと誘導ブリルアン利得/損失検出器です。高スペクトル分解能、高速 CW SBS 分光用レーザーは、単一周波数をする必要があります (< 10 MHz 幅) 十分に広い波長可変特性 (20-30 GHz) とスキャン率 (> 200 GHz/s)、長期周波数安定度 (< 50MHz/h) と低雑音。さらに、いくつかの何百もの力を持つ梁の直線偏波と回折限界のレーザー (tens) のサンプルに mW のポンプ (プローブ) 梁の必要。最後に、誘導ブリルアン利得/損失検出器は、ソフトの問題で弱い後方誘導ブリルアン利得/損失 (sbg 社/SBL) レベル (10-5 - 10-6) を確実に検出する設計必要があります。これらのニーズを満たすためには、我々 は偏波保持する結合分布帰還 (DFB) 半導体レーザを選択した超狭原子を組み合わせた誘導ブリルアン利得/損失検出器と一緒に繊維蒸気ノッチ フィルターと高周波図 1に示すようにロックイン アンプをシングル変調に。この検出方式は、目的の SBG 信号が埋め込まれた11プローブ強度の騒音を大幅に削減しながら SBG の信号の強さを倍増します。私たち SBS 分光器で使用する原子蒸気ノッチ フィルターの役割が検出 VIPA 分光計のように弾性散乱背景を減らすのではなく、不要な浮遊ポンプ反射の検出を大幅に削減することに注意してください。自発的なレイリーとブリルアン散乱光です。下記のプロトコルを使用して CW SBS 分光計は sbg の全体的レベル並みに 10-6水と組織ファントムの透過スペクトルを取得する能力を持つ構築ことができます < 35 MHz におけるブリルアン シフト測定精度と100 ms 以内。

figure-introduction-1
図 1: 連続誘導ブリルアン散乱 (CW-SBS) 分光します。2 つ連続ポンプ ・ プローブ ダイオード レーザー (DL)、サンプルのブリルアン シフト周りデチューン周波数は、偏波保持ファイバーにそれぞれコリメータ C1 C2と結合されています。ポンプ ・ プローブの周波数差は、ポンプ ・ プローブ レーザー光スプリッター (FS)、高速光検出器 (FPD) と周波数 (FC) のセットを使用してから皮をむいたビーム間のビート周波数を検出によって測定されます。プローブの S 偏極ビーム (明るい赤)、四分の一波長板 (λ14) による円偏波ビーム拡大器 (L1 L2) は正しいケプラーを使用して拡張し、色消しレンズ (3L) によってサンプル (S) に焦点を当てた。SBS の相互作用および光学絶縁は、ケプラー式ビーム拡大器 (L5 L6) を使用して拡張ポンプ光 (深赤)、最初 P 偏光波長板 λ24 を使用して)、偏光透過ビームスプリッター (PBS) が最終的に左円四分の一波長板 (λ24) によって分極し、色消しレンズ (4L; L3と同じ) とサンプルに焦点を当てた。ポンプ ・ プローブ梁ほぼカウンターに伝達されるよう、サンプルでは (λ14 から出てくる) ポンプの P 偏光ビームがプローブに入るを防ぐために使用された (P) S 指向の偏光板がレーザーに注意してください。ロックイン検出のポンプ光正弦波音響光学変調器の出力 (AOM) fmで変調されます。SBG 信号、周波数fmで輝度変化として現れる (はめ込み式を参照) で復調ロックイン アンプ (LIA) 広域フォト ダイオード (PD) による検出に続きます。フォト ダイオードにおける浮遊ポンプ反射の重要な除去は、狭帯域ブラッグ フィルター (BF) とポンプ波長の周りの原子のノッチ フィルター (85RB) (I) 光ブロック アイリスと一緒に使用されます。パーソナル コンピューター (PC) に接続されているデータ集録カード (DAQ) ブリルアン スペクトルの詳細な分析データが記録されます。すべて折りたたみミラー (M1- M6)、水様のサンプルの配置を促進するため光学テーブルに垂直にマウントされている 18「× 24」ブレッド ボードに分光計を合わせて使用されます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

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プロトコル

注: 特に記述がない限り、(i) 接続すべてのマウント ポスト ホルダーとクランプ フォークと取付ベース光学テーブルにポスト拠点を強化する、(ii) 使用出力配置手順がすべての 2-10 mW のレーザー力

。

注: セットアップ内のすべての電気/光デバイスをオンにし、使用する前にウォーム アップ時間の 30 分

。

1 プローブ ビーム光路を準備

  1. マウント、プローブ レーザーのファイバー コリメータを合わせます。。 プローブ レーザーのファイバー結合器に
    1. 接続、33:67 FC/APC 偏波保持の入力ファイバー繊維スプリッター (ポート FS T 1)。光スプリッター (FS 1 のポート 1) の 67% 出力ファイバーをファイバー コリメータ (C 1) に接続します。ファイバー コリメータを 6 軸キネマティック マウント (y Ø x Ø、Ø z x、y、z) に接続します。ファイバー コリメータの背後にある電源メーターを配置し、x、レーザーのファイバー結合器の y および z のネジを調整することによってレーザーからパワーを最大化します
      2. 。
    2. 回転光ファイバー コリメータ (または整列する光学素子) S 偏光方向にレーザー偏波を調整するには、ここでは光学テーブル平面に垂直です。レーザー光線がパワー メーターを補助の偏光ビームスプリッターを最小 (最大) レーザー伝送 (反射) を測定することによって [S 偏光になっていることを確認します
      3. 。
    3. は光学テーブルから同じ高さで 2 つの補助配置菖蒲をマウント (3 ' ' このセットアップで)。梁システムの光学テーブルに平行に光軸に沿って伝搬、この高さが一定になるシステム全体の配置の間に。ファイバー コリメーター (または整列する光学素子) の背後にあるテーブル取付穴 1 つアイリスは、< 50 mm。最初のアイリスから十分にコリニア テーブル取付穴に 2 番目のアイリスを配置 (> 300 ミリメートル).
    4. までレーザー光線ですと同心の x、y、Ø x および運動学的マウントの Ø y ネジを調整することによってシステムの光軸に沿ってファイバー コリメータ (または整列する光学素子) の出力ビームを配置、両方のアイリスの中心します
      5. 。
  2. ケプラー式ビーム拡大器を設定します。
    1. レンズをマウント (L 1, f 1 = 25 mm) 固定光学マウントで
      2. 。
    2. は、1.1.3 での手順に従って、2 つの補助配置菖蒲をマウントします。横方向の位置とレンズのピッチ角、透過ビームは両方の虹彩の中心に同心円細かく調整します
      3. 。
    3. は、2 番目のレンズをマウント (L 2, f 2 = 50 mm) 固定光学マウントで。基本マウント ポストをリニア並進ステージ システムの光軸に平行に取り付けます。レンズが f 1 + f 2 最初のレンズからの距離は、ステージを配置します。1.2.2 で説明したようにレンズを配置します
      4. 。
    4. は、ビームを平行光にすることを確認する 2 番目のレンズの後ろにシェアリング干渉計を配置します。生成される干渉縞がせん断の干渉計の拡散板に支配基準線に平行になるまで、システムの光軸に沿って 2 番目のレンズを変換します
      5. 。
  3. ビーム拡大器の出力ビームをフォールドします。
    1. はピッチ (Ø x) 運動学的マウントのミラー (1 M) をマウントし、ヨー (Ø y) 調整。45 o C の要素 1 L 1 L 2 に沿って光軸に関しては、ミラーを方向づける
      2. 。
    2. は、1.1.3 での手順に従って、2 つの補助配置菖蒲をマウントします。反映された光線がシステムの光軸を定義する両方の虹彩の中心に同心円状になるまで、Ø x とミラー マウントの Ø y ネジを調整します
      3. 。
  4. サンプル照明光学系を設定します。
    1. マウント 0 次波長板 (λ 1/4)、6 軸キネマティック マウントで (y Ø x Ø、Ø z x、y、z) 折りたたみミラー (1 M) から約 150 mm の距離で残して2.7 に記載用の前に偏光板 (P) を配置するための十分な領域。回転用円偏光状態を生成するための高速軸に対して 45 o.
    2. フォーカス レンズをマウント (L 3, f 3 = 30 mm) 用の同じ運動マウントで。1.1.3-4 の手順でレンズを通して送信されるビームを配置します
      3. 。
  5. サンプルのコレクション光学系を設定します。
    1. マウント、6 軸キネマティック マウント (y Ø x Ø、Ø z x、y、z) 差分に焦点レンズ (3 L) から約 60 mm の距離でリニアの並進ステージ。ゼロオーダー波長板をマウント (λ 2/4) 運動学的マウントで。45 o の高速軸に関して回転用とレーザー光線が 1.1.2 での手順に従って、[S 偏光になっていることを確認します
      2. 。
    2. コレクション レンズをマウント (L 4 f 4 = 30 mm) 用の同じ運動マウントで。1.1.3-4 の手順でレンズを通して送信されるビームを合わせます。1.2.4 で説明するようにビームを平行光にすることを確認します
      3. 。
    3. ピッチ (Ø x) 運動学的マウントの上に偏光ビームスプリッター キューブ (PBS) をマウント (Ø y) 調整をヨーし、(、図 1 に示すように)、波長板の後ろに配置。1.1.3 での手順に従って、2 つの補助配置菖蒲をマウントします。反映された光線がシステムの光軸を定義する両方の虹彩の中心に同心円状になるまで、Ø x とビームスプリッター マウントの Ø y ネジを調整します
      4. 。

2。ポンプのビーム光路を準備

  1. マウント、ポンプ レーザーのファイバー コリメータを合わせます。 ファイバコリメータ (C 2)
    1. 接続ポンプの増幅されたポートの繊維レーザー。マウントし、1.1.3 - に従ってポンプ レーザーのファイバー コリメータを合わせ 4.
  2. ルビジウム 85 D2 にポンプ波長を調整 F g = 3 吸収線。
    1. (C 2) ポンプ レーザーのファイバー コリメータの背後にあるルビジウム 85 蒸気セルを配置します
      2. 。
    2. は隣接セルを介してポンプ光の透過を測定する蒸気細胞の後ろに補助光検出器です。光検出器をオシロ スコープに接続します。プレス、' オートセット ・ '、photodetecto から読み出し信号の振幅および時間のトレースを自動的に設定するオシロ スコープのボタンr.
    3. ルビジウム D2 吸収線、780.24 レーザー波長に粗く設定最小の光透過率が、補助光検出器 (によってルビジウム セルが測定されるレベルにレーザー コント ローラーで温度のノブを回して、nmステップ 2.2.2 を参照)。レーザー温度を特定のレベルに設定します
      4. 。
    4. ポンプ レーザー コント ローラーの電流変調入力関数発生器の出力を接続します
      5. 。
    5. 関数発生器からゆっくりと 60 の間でレーザーの波長をスキャンするレーザー コント ローラーの電流変調入力に三角形の波を適用する pm (30 GHz)。このためを押して、' チャンネル ・ セレクト ' 関数発生器と選択チャネル 1 のボタン。次を押して、' ランプ ' ボタンし、' 連続 ' 三角形の波形を生成するチャンネルを設定するボタン。プレス、' 振幅 ' 2.25 Vpp (ピーク-ピーク電圧) に波形振幅を設定するショートカット ボタンと ' 周波数/周期 ' ショート カット ボタンを 5 mHz の波形の周波数の設定をします。最後を押して、' に ' 関数発生器のチャネルをオンにします
      6. 。
    6. ルビジウム 85 D2 にポンプ波長をもたらすできるだけ正確の現在のレベルを識別する F g 補助光検出器 (参照を使用しているルビジウム セル最小光透過率を測定することによって 3 の吸収線を =2.2.2 ステップ)。レーザー現在レベルに設定、識別されたレーザー コント ローラーの現在のノブを回して。ルビジウム セルと補助光検出器を取り外します。最後に、レーザー コント ローラーの電流変調入力から関数発生器を外します
      7. 。
  3. マウント、レーザー ライン クリーン アップ フィルターを合わせます。
    1. 場所レーザー ライン クリーン アップ フィルター (ブラッグ反射フィルター;BF) キネマティックのピッチ (Ø x) でマウントし、ヨー (Ø y) ファイバコリメータ (C 2) から 250 mm の距離で調整します
      2. 。
    2. 場所、電源フィルターの伝送 (反射) 光路でメーターを最小限に抑えるは、ブラッグの入力角度 (8 o このセットアップで) に合わせてピッチ軸のフィルターを回転させることによりビーム電源を (最大)。Ø x と配置を最適化するために運動のマウントの Ø y ネジを細かく調整します
      3. 。
    3. 倍ピッチ運動マウントのマウント (M 2 M 3) 2 つの鏡を使用しての入力し、調整をヨー フィルターでビームの方向に平行に戻るフィルター反射ビーム
      4. 。
    4. は、1.1.3 での手順に従って、2 つの補助配置菖蒲をマウントします。2 番目のミラーから反射されたビームがシステムの光軸を定義する両方の虹彩の中心に同心円状になるまで、Ø x と両方ミラー マウントの Ø y ネジを調整します
      5. 。
  4. マウント、音響光学変調器を合わせます。
    1. マウント レンズを揃えると (L , 5 f 5 = 100 mm) 1.2.2 で説明するように、音響光学変調器 (AOM) にポンプ光線を焦点に。レンズの栄養物後、優しくレンズ L 5 から削除、AOM の損傷を防ぐためには、AOM を配置する前にそのマウントします
      2. 。
    2. は、焦点レンズ (L 5) から約 100 mm の距離で 5 軸プラットフォーム (Ø x Ø y x、y、z) に AOM をマウントします。変調器の入り口の窓から伝搬するポンプ ビームが S 偏光 (参照 2.1.2) 変調器のパフォーマンスを最適化するためにであることを確認します
      3. 。
    3. は、変調器ドライバーの RF 出力を 50 Ω 同軸ケーブルを用いた変調器の RF 入力に接続します。ドライバーとプレスを有効に、' モード ' 音響光学変調器は、連続モードで動作するようにドライバーのボタンします
      4. 。
    4. は、1 次の回折ビームのみの電力を測定する変調器の出力の後ろに電源メーターを配置します。ピッチ軸 (Ø x) で変調器を回転させることにより一次回折ビームの力を最大限に変調器のブラッグ角を調整します
      5. 。
    5. 再配置 finelythe 変調器にポンプ光線を焦点し、目的高速立上り/立下り時間を達成するために、マウントのレンズ (L 5) を中心に (10 ~ 50 μ m ビーム径フォーカスこのセットアップでの ns)。X、y、z、Ø x および一次回折ビームの力を最大限に変調器の取り付けプラットフォームの Ø y ネジを調整します
      6. 。
    6. 変調器の出力方向へのビームを隠す、(Ø x) のピッチとヨー (Ø y) 調整運動のマウントにマウントされた 2 つのミラー (M 4 M 5) を使用して、変調器の入力でビームを並列2.3.3-4 で説明している
      7. 。
    7. マウント、2 番目のレンズを合わせます (L 、6 f 6 = 200 mm) f 5 + f 6 1.2.3-4 で説明したように、変調のポンプ光をコリメートする入力変調器で集光レンズからの距離で。このレンズとともに、変調器の入力フォームでポンプを一致するポンプ光のケプラー式ビーム ・ エキスパンダー レンズし、サンプル (S) に焦点を当て前にビーム直径をプローブします
      8. 。
  5. ポンプ P 偏光光学系を設定します。回転マウントでゼロオーダー波長板 (λ/2) をマウントします。ポンプ光 (6 L) のケプラー式ビーム エキスパンダーの 2 番目のレンズの後ろに波長板を配置します。ここで光学テーブル平面に平行な P 偏光方向にビームを調整する波長板を回転させます。レーザー光線が補助の偏光ビームスプリッターを介してパワー メーターを最大 (最小) レーザー伝送 (反射) を測定することによって [P 偏光になっていることを確認します
    6. 。
  6. 折ると横方向にシフト用の出力でビーム。
    1. はピッチ (Ø x) 運動学的マウントのミラー (M 6) をマウントし、半波長板 (λ/2) から 50 mm の距離で (Ø y) 調整をヨーします。システムの光軸に沿って配置されるリニア並進ステージ キネマティック マウントの記事ベースに取り付けます。45 o λ/2-PBS の要素に沿って光軸に関しては、ミラーを方向づける
      2. 。
    2. ビーム反射ミラー、偏光、整列はビームスプリッター 1.3.1-2 に記載。カードを表示するレーザ プローブ ビーム光路型偏光ビームスプリッターを透過するポンプ光が同一線上であることを確認
    3. ポンプ プローブの集光レンズの光軸に垂直な方向で 3 mm ミラーを翻訳 (L 4-L 3) 浮遊ポンプ反射を最小限に抑えるサンプル (S) の軸外ポンプ照明を生成する
      4. 。
  7. ポンプ プローブ光パスの光学ブロックを設定します。回転マウントで直線偏光子 (P) をマウントします。折りたたみミラー (1 M) と最初の波長板と偏光板を配置 (λ 1/4) プローブの光路は、これらの各コンポーネントから約 75 mm の。最小限に抑えるために偏光板を回転させる (最大化) ポンプ (プローブ) ビーム伝送
    8. 。

3。ポンプ ・ プローブ レーザー離調周波数を検出するためのスキームを準備

  1. プローブとポンプ レーザーのファイバーを設定。
    1. 50: 50 FC/APC の入力ファイバー接続偏波保持ファイバー分割 (FS 2 のポート 1) ポンプ レーザーの非増幅ポートのファイバー結合器に。33% 出力光ファイバーを接続ポンプ光スプリッター (FS 2 の 2 ポート) の 50% 入力ファイバー プローブ光スプリッター (FS 1 ポート 2) の袖の交配を使用しています
      2. 。
    2. パワー メーターを 50: 50 ポンプ光スプリッター (ポート FS T 2) の出力ファイバーの光パワーを測定し、合計の光パワーは、< 10 mW のファイバー結合型光検出器 (FPD) の飽和を防止します。50: 50 ポンプ光スプリッター (ポート FS T 2) の出力ファイバーをファイバー結合の高速光検出器の入力に接続します
      3. 。
  2. マイクロ波周波数の GHz バンドの K メスのコネクタに直接高速光検出器の K 男性コネクタに接続uency カウンター (FC) です
    3. 。

4。設定を誘導ブリルアン利得/損失検出器

  1. ルビジウム 85 ガラスセルを準備します。 熱伝導パッドで
    1. ラップ全体セル。熱テープをセルの端で折り返します。暖房温度を監視するセルの中心に熱電対を配置します。熱電対は熱テープを触れないことを確認します。セル温度を読み出すための温度計、熱電対を接続します
      2. 。
    2. は、四フッ化エチレン樹脂テープの場所で熱テープと熱電対を保持し、熱環境から細胞を分離するとセル全体をラップします。両方のエッジで、遮るもののない熱テープの端を残します。0-30 V、5 A DC 電源に熱テープの 2 つのリードを配線
      3. 。
    3. 偏光ビームスプリッター (PBS) の反射の光路セルをマウントします。セルの中心をプローブ光に当たることを確認します
      4. 。 セルの前に (I) アイリスを
    4. にマウントします。プローブ ビームは完全に通過できるように、虹彩を開きます。このアイリスが浮遊ポンプ反射を最小限に抑えるアシストします
      5. 。
  2. 光検出器を設定します。
    1. 場所、ルビジウムの背後にある光検出器 (PD) のセルです。光検出器、アルミ ボックスに収容施設は広域フォト ダイオードと自家製の RC ローパス フィルター (R = C = 0.1 μ F 1 kΩ) 逆バイアス電圧のノイズを低減します。カードを表示するレーザーを用いたフォト ダイオードの中心をプローブ光に当たることを確認
    2. は、0-30 V、5 A DC 電源 50 Ω 同軸ケーブルを使用するフォト ダイオードのカソード端子を接続します。フォト ダイオードは高周波検出のための光伝導モードで運用できるように、電源装置の電圧ノブを回して 25 V、逆バイアスを適用します
      3. 。
  3. ロックイン アンプを設定。
    1. 1.9 MHz 帯域幅 50 Ω 同軸ケーブルを使用しての 50Ω 同軸ローパス フィルター (LPF) に光検出器を接続します。ロックイン アンプ (LIA) の信号入力に直接同軸 LPF の出力を接続します。プレス、' Sig-Z の ' 信号を設定するのにはロックイン アンプのボタン入力インピー ダンス 50Ω にロックイン アンプの
      2. 。 50 Ω 同軸ケーブルを使用してロックイン アンプの
    2. 参照する関数発生器の接続チャネル 1 入力します。プレス、' チャンネル ・ セレクト ' 関数発生器と選択チャネル 1 のボタン。次を押して、' 正弦 ' ボタンし、' 連続 ' 正弦波波形を生成するチャンネルを設定するボタン。プレス、' 振幅 ' 0.7 Vpp に波形振幅を設定するショートカット ボタンと ' 周波数/周期 ' f m に波形の周波数を設定するショートカット ボタン = 1.1 MHz
      3. 。 50 Ω 同軸ケーブルを使用して音響光学変調器ドライバーの
    3. 外部関数発生器の接続チャネル 2 のアナログ入力。4.3.2 1 Vpp、f m を設定するの手順に従って、2 チャンネルの 1.1 MHz 正弦波波形を =
      4. 。
    4. プレス、' に ' をオンにするチャンネル 1 と 2 を押すことによって、位相関係をロック関数発生器のボタン、' 整列相 ' 関数発生器のボタンをベゼル
      5. 。
    5. スイッチ、' モード ' 音響光学変調器ドライバーのボタン ' 普通 ' 状態。F m でポンプ光は光学的変調今 1.1 MHz を = します
      6. 。

5。システムとパフォーマンスの最適化の最終準備

  1. データ集録のセットアップ ユニット
    1. 同軸ケーブルを使用して 1 つのアナログ入力データ収集ユニット (DAQ) にマイクロ波周波数カウンター (FC) のアナログ出力を接続します。プレス、' DAC '、' 1 '、' 0 ' 周波数リードアウト確度を 10 MHz に設定する周波数カウンターのボタン。このチャネルは、ポンプ-プローブ周波数離調を監視します
      2. 。
    2. 接続、' X '、ロックイン アンプ (LIA) データ収集ユニットが同軸ケーブルを使用して 2 番目のアナログ入力への出力。プレス、' 出力 ' のボタン、' X ' チャネルをアクティブにロックイン アンプのチャンネル。このチャネル モニターの誘導ブリルアン利得 (SBG) 信号レベルを使用します
      3. 。
    3. は、ティー BNC コネクタを使用して 2 つの別々 のチャネルの関数発生器の出力チャンネルに分割します。1 つのチャネルを同軸ケーブルを使用してデータ集録ユニットの 3 番目のアナログ入力にプローブ レーザー コント ローラーの 2 番目のチャネル電流の変調入力に接続します。この 2 番目のチャネルを使用してプローブ レーザの電流変調信号を取得します
      4. 。
    4. は、データ収集ユニットの USB 出力をコンピューターに接続します。視覚化データ集録ユニット 14 から上記の信号を記録してデータ集録ソフトウェア パッケージのプログラムを作成します
      5. 。
  2. 測定室内の水のサンプルをマウントします。
    1. 家造られた塗りつぶし蒸留水 500 μ m の厚さのガラス室。商工会議所は構成 2 ラウンド 25 mm 直径 0.17 mm 厚いガラス coverslips 500 μ m 厚い四フッ化エチレン樹脂テープの間隔
      2. 。
    2. 3 軸モーターを備えられた翻訳ステージ上チャンバー ホルダーをマウントします。ホルダーに測定室を置き、プローブと集光レンズ ポンプの共同のフォーカス ポイントにそれを翻訳 (L 3 と L 4、それぞれ) 電動ステージを使用しています
      3. 。
  3. ルビジウム細胞を熱します。
    1. レーザー安全メガネの 780 nm レーザーを使用します。取得するポンプ レーザーの力を高める > 250 mW テーパー アンプ コント ローラーの現在のノブを回すとパワー メーターをサンプルの直前に電力を測定サンプルにします
      2. 。
    2. セット、ロックイン アンプ (LIA) 1 の時定数 s を押すことによって、' 解決上下 ' ロックイン アンプのボタン。押すことで 24 dB/oct にロックイン アンプのローパス フィルターを設定、' フィルター斜面上下 ' ボタン。押して 1 mVrms にロックイン アンプの感度の設定、' センス上下 ' ボタン。ロックイン アンプの配置フェーズ関数を使用してを押すことによってゼロにアンプの参照および信号入力の位相差を調整、' シフト ' と ' 相 ' ボタン
      3. 。
    3. の読み出しを観察することによって浮遊ポンプの反射を監視、' X ' ロックイン アンプのチャンネル
      4. 。
    4. ルビジウム 85 D 2 F g ポンプ波長チューニングが得られる最小の浮遊ポンプ反射読み出しレーザー コント ローラーで軽く現在のノブを回して 3 吸収線を =、' X ' ロックイン アンプのチャンネル
      5. 。
    5. 設定 17 V 電源を DC 電源接続 90 o c. 待機するルビジウム セルを暖める熱テープ温度計リードアウトが目的のセルの温度に安定するまで数分。注: 信号読み出し観察、' X ' (セルの吸収の重要な上昇) による加熱時急速にロックイン アンプのチャンネルをドロップしてください
      6. 。
  4. メジャーと水の SBG 信号を最適化します。
    1. を取得するプローブ レーザーの力を高める > 10 mW レーザー コント ローラーの現在のノブを回すとパワー メーターをサンプルの直前に電力を測定サンプルにします
      2. 。
    2. ルビジウム 85 D2 にプローブ波長を粗く調整 F g = 3 吸収線プローブ レーザー コント ローラーで温度のノブを回すとパワー メーターをルビジウム セル後ろに最小レーザー電力レベルを測定します
      3. 。
    3. までプローブ レーザー コント ローラーの現在のノブを回してポンプ波長より長くなるプローブ波長を細かく調整 > 10 mW の, ほぼ一定、レーザー パワー パワー メーターをルビジウム セルの後ろにレベルを測定します。注: プローブ波長のポンプ レーザーのそれよりも短い場合、ルビジウム 85 セルの追加吸収バンドを大幅に削減携帯出力でプローブ電源します
      4. 。
    4. は、プローブ レーザー コント ローラーの現在のノブを回すと周波数カウンター (FC) のリードアウトを離調周波数を観察して水 (〜 5 GHz) のブリルアン シフトに合わせてポンプ ・ プローブ レーザー間離調周波数を設定します。注: 否定的な (正) 一次回折ビームのこれらの読み出し大きくなければなりません () よりも小さい駆動音響光学変調器 (このセットアップで 210 MHz) の周波数の RF によるブリルアン シフトします
      5. 。
    5. 100 µVrms にロックイン アンプの感度の設定および 5.3.3 の手順に従うことによってゼロにアンプの参照および信号入力の位相差を調整します
      6. 。
    6. (I) 細かく Ø x ポンプ光 (6 M) の折りたたみミラーのキネマティック マウントの Ø y ネジを調整し、(ii) 少し翻訳してポンプのポンプ ・ プローブの梁の交差効率を最適化します。システムの光軸に沿って集光レンズ (L 4).
    7. より高い信号を読み出しを確認、' X ' ロックイン アンプのチャンネル主に (浮遊ポンプ反射ではなく) 増加の SBG 信号からのプローブ光をブロックし、浮遊ポンプの変更レベルの測定結果反射、' X ' ロックイン アンプのチャンネル
      8. 。
    8. SBG 信号が最大に達するまで、手順 5.4.6-7 を繰り返します (> 2 µVrms)、変更の最小レベルで浮遊ポンプ反射を保ちながら
      9. 。

6。測定、SBG スペクトルを分析

  1. プローブ電流対ポンプ プローブ離調による検量線を作成する。
    1. プローブ レーザー コント ローラーの現在のノブを回して (水のブリルアン シフト) の周りを 5 GHz ポンプ ・ プローブ レーザー間離調周波数を設定します
      2. 。
    2. プレス、' 解像度 ' と ' 5 ' マイクロ波周波数カウンター ゲート時間を 1 に設定する (FC) のボタン ms、100 ms 間連続周波数測定を離調のサンプリング間隔を提供します。2.2.5 150 mVpp と 50 mHz の波形振幅と周波数パラメーターのそれぞれの手順でプローブ レーザー コント ローラーの電流変調入力に正弦波を適用されます。これは、ゆっくりとプローブ波長をスキャンする (およびしたがってポンプ プローブ周波数が離調) 2 GHz で
      3. 。
    3. 100 サンプル/秒/チャンネル データ集録ユニット (DAQ) のサンプリング レートを設定、ポンプ ・ プローブ周波数離調を記録し、20 のデータ収集ユニットからのレーザ変調電流信号をプローブ s (4-6 GHz 以上) ホームに書かれたデータを使用して取得プログラム
      4. 。
    4. は、計算ソフトで測定データを読み込みます。線形モデルによるポンプ プローブ周波数離調データに合います。(ポンプ ・ プローブ周波数測定を離調の非線形性) のための高次多項式フィットを使用もことに注意してください。線形モデルによるプローブ レーザー変調現在のデータでフィットも
      5. 。
    5. ポンプ プローブ周波数に合わせてプローブ変調電流の関数としてフィット サンプル サンプルを離調計算ソフトウェア プログラムで保存することにより検量線を生成します
      6. 。
  2. 高速で SBG スペクトルを測定します。
    1. は、たとえばテストの下のサンプル (S) をマウント、蒸留水 2 5.2.1 - に記載されている実験では、使用されます。5.4.1 - 8 の手順を繰り返します
      2. 。
    2. にロックイン アンプ (LIA) 時定数の設定 ≥ を押すことによって 100 μ 秒、' 解決上下 ' ロックイン アンプのボタン。2.2.5 150 mVpp と 50 Hz の波形振幅と周波数パラメーターのそれぞれの手順でプローブ レーザー コント ローラーの電流変調入力に正弦波を適用されます。これは、急速にプローブ波長をスキャンする (およびしたがってポンプ プローブ周波数が離調) 2 GHz で
      3. 。
    3. データ収集ユニット (DAQ) のサンプリング レートを設定 ≤ 100,000 サンプル/秒/チャンネルと、SBG とプローブ レーザーのデータ収集ユニットからの電流信号を変調記録 ≥ ホームに書かれたデータを使用して 10 ms (4-6 GHz 以上)取得プログラム
      4. 。
  3. 視覚化および SBG スペクトルを分析します。
    1. 負荷測定データ記録計算ソフトウェア プログラムで 6.2.6
      2. 。
    2. ポンプ プローブ周波数 6.1.5 に格納されているキャリブレーション カーブでこれらの値を識別することによって値を離調する測定プローブ レーザー変調の現在の値を変換します
      3. 。
    3. スペクトルから平均ノイズ ・ フロアを減算し、値を離調ポンプ プローブ周波数に対して SBG 測定をプロットすることによって SBG スペクトルを可視化します
      4. 。
    4. ローレンツ曲線とスペクトルに合います。ローレンツのパラメーターの初期値は、スペクトルの最高点の半分の振幅、周波数の位置と全角を使用します
      5. 。
    5. 最大値とローレンツのフィットの半分までのフル幅の周波数の位置をそれぞれ取得することによってブリルアン シフトとテスト サンプルの幅を計算します
      6. 。

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結果

図 2 bと3 bは、蒸留水とファントムのサンプル (2.25 散乱現象と 45 cm-1の減衰係数) 測定 10 ミリ秒、100 ミリ秒、それぞれ脂質エマルジョン組織の典型的なポイント SBG スペクトルを表示します。10 の SBG スペクトルを測定した比較のため図 2 aと3 aで示すように、s。10 〜4浮遊ポンプ反射を減衰し、送信するための 90 ° C に加熱したルビジウム 85 ガラスセルこれらの測定 > プローブ光の 95%h11以上の安定維持されたレベル。また、空間分解能、ここで定義された SBS の半分まで横全角としてフォーカスから検出された強度は約 8 μ m10と推定されました。水の急速に得られたスペクトルから得られるブリルアン シフト平均と生体ファントムそれぞれ 5.08 GHz と、5.11...

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ディスカッション

図 1に示すように、システムは、水様のサンプルの配置を促進する、光学テーブルを垂直方向に取り付けることができます 18」x 24」ブレッドで造られるように設計されました。その結果、強くすべての光学的および機械的要素を締めます、ポンプ ・ プローブの梁がコリニアと同心軸外のジオメトリのサンプルを照らす前に様々 な要素を持つことを確認することが重要です。

そのマスク水サンプル (~ 10-6) の弱いブリルアン利得過剰な浮遊ポンプ反射によるブリルアン利得信号を観察することの難しさがあります。これらの欠点に対処するため最初に確保し、プローブと集光レンズ ポンプの共同のフォーカス ポイントで商工会議所が配置されている (L3と L4、それぞれ)。その後、少し手前にルビジウム セル (I) アイリスを閉じますおよび/または翻訳若干さらに浮遊ポンプ反射の検出を排除するポンプ光 (6M) の折りたたみミラー。これらのプロシージャはまた減少ブリルアン信号が、水の誘導ブリルアン利...

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開示事項

著者が明らかに何もありません。

謝辞

IR は、博士課程フェローシップ賞アズリエリ財団に感謝しています。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
プローブダイオードレーザーヘッドとコントローラーToptica PhotonicsSYST DL-100-DFB数量: 1
ポンプ増幅ダイオードレーザーとコントローラーToptica PhotonicsSYST TA-pro-DFB数量: 1
FC/APC ファイバードックToptica PhotonicsFiberDock 数量:3
FC/APC繊維パッチコードを維持する高出力シングルモード偏光Toptica PhotonicsOE-000796数量:1
FC/APC繊維コリメーション、調整可能なコリメーション光学系Toptica PhotonicsFiberOut数量:1
FC/APCファイバー固定コリメータOZ光学系HPUCO-33A-780-P-6.1-AS数量:1
シングルモード偏光維持ファイバスプリッタ 33:67OZオプティクスFOBS-12P-111-4 / 125-PPP-780-67 / 33-40-3A3A3A-3-1数量:1
モード偏光維持ファイバースプリッター50:50OZオプティクスFOBS-12P-111-4 / 125-PPP-780-50 / 50-40-3S3A3A-3A-3-1数量:1
f = 25 mm、およびOslash;1/2 "アクロマティックダブレット、SM05-スレッドマウント、ARC:650-1050 nmThorlabsAC127-025-B-ML数量:1
f = 30 mm、Ø1インチアクロマティックダブレット、SM1スレッドマウント、ARC:650-1050 nmThorlabsAC254-30-B-ML数量:2
f = 50 mm、およびOslash;1インチアクロマティックダブレット、SM1-スレッドマウント、ARC:650-1050 nmThorlabsAC254-50-B-ML数量:1
f = 100 mm、およびOslash;1インチアクロマティックダブレット、SM1-ネジマウント、ARC:650-1050 nmThorlabs AC254-100-B-ML数量:1
f = 200 mm、Ø1インチアクロマティックダブレット、SM1スレッドマウント、ARC:650-1050 nmThorlabs AC254-200-B-ML数量:1
Ø1/2 "広帯域誘電体ミラー、750-1100 nmThorlabs BB05-E03数量:4
Ø1 "広帯域誘電体ミラー、750-1100 nmThorlabs BB1-E03数量:2
1 "偏光ビームスプリッターキューブ、780 nmThorlabs PBS25-780数量:1
ØN-BK7保護窓、600-1100 nmThorlabs LPNIRE100-B数量:
1-3mmビーム径せん断プレートThorlabsSI035数量:1
6軸ロック運動学的光学マウントThorlabs K6XS数量:4
コンパクト5軸プラットフォームThorlabs PY005数量:1
5軸プラットフォームThorlabs PY005A2数量:1
ポラリス低ドリフト&オスラッシュ;1/2 "キネマティックミラーマウント、3アジャスターThorlabs POLARIS-K05数量:
4 Ø用レンズマウント;1インチ光学Thorlabs LMR1数量:
外部SM1スレッドと内部SM05スレッド、0.40インチ厚Thorlabs SM1A6T数量:
1 Ø用回転マウント;1インチ光学系Thorlabs RSP1数量:2
1インチ キネマティックプリズムマウントThorlabs KM100PM数量:1
目盛り付きリング作動SM1アイリスダイアフラムThorlabs SM1D12C数量:1
ポストマウントアイリスダイアフラム、Ø12.0 mmの最大開口部ThorlabsID12数量:
2 1/2 "標準マイクロメーター付き翻訳ステージThorlabsMT1数量:3
Ø1 "台座の柱のポスト、8-32タップ、L = 1 "ThorlabsRS1P8E数量:1
Ø1 "台座の柱のポスト、8-32タップ、L = 1.5 "ThorlabsRS1.5P8E量:2
Ø1 "台座の柱のポスト、8-32タップ、L = 2 "ThorlabsRS2P8E量:4
Ø1 "台座の柱のポスト、8-32タップ、L = 2.5 "ThorlabsRS2.5P8E量:1
Ø1 "台座の柱のポスト、8-32タップ、L = 3 "ThorlabsRS3P8E数量:4
クランプフォークThorlabsCF125数量:12
取り付けベースThorlabsBA1S数量:8
PM4クランプアーム付き大型Vクランプ、2.5 "ロング、インペリアルThorlabsVC3C数量:1
&オスラッシュ;1/2 "ポストホルダー、バネ仕掛けの六角ロックつまみネジ、L = 1 "ThorlabsPH1数量:2
Ø1/2 "ポストホルダー、バネ仕掛け六角ロックつまみネジ、L = 1.5 "ThorlabsPH1.5数量:2
Ø1/2 "ポストホルダー、バネ仕掛け六角ロックつまみネジ、L = 2 "ThorlabsPH2数量:6
Ø1/2 "光学ポスト、SS、8-32止めネジ、1/4 "-20タップ、L = 1 "ThorlabsTR1数量:2
Ø1/2 "光学ポスト、SS、8-32止めネジ、1/4 "-20タップ、L = 1.5 "ThorlabsTR1.5数量:2
Ø1/2 "光学ポスト、SS、8-32止めネジ、1/4 "-20タップ、L = 2 "ThorlabsTR2数量:6
ブレッドボード18 "x 24" x 1/2 "、1/4 "-20タップThorlabsMB1824数量:1
12 "ブレッドボード用垂直ブラケット、1/4 "-20穴、1ピースThorlabsVB01数量:2
Siフォトダイオード、40 nsの立ち上がり時間、 400 - 1100 nm、10 mm x 10 mmアクティブエリアThorlabs FDS1010数量:1
板、ゼロオーダー、1/4波780nmタワーオプティクスZ-17.5-A-.250-B-780数量:2
板、ゼロオーダー、1/2波 780nmタワーオプティクスZ-17.5-A-.500-B-780数量:1
ファイバー結合超高速光検出器ニューポート1434数量:1
バル光学ミラーマウントニューポートU100-G2H ULTIMA数量:
3リニアステージ、移動範囲25mm、ニューポート M-423 数量:1
ロック可能な差動マイクロメータ、25 mm粗い、0.2 mm細かい、11ポンド負荷ニューポート DM-25L数量: 1
XYZモーターリニアステージApplied Scientific InstrumentationLS-50数量: 3
ステージコントローラーApplied Scientific InstrumentationMS-2000数量: 1
サンプルホルダー自家製カスタム数量:
1 ルビジウム85溶融シリカ分光セル、フラットARコーティング窓付き、長さ150 mm、直径25mmフォトニクス技術SC-RB85-25x150-Q-AR数量: 1
熱伝導パッド 300 mm x 300 mmBERGQUISTQ3AC 300MMX300MM シート数量: 1
ヒートテープ 0.15 mm x 2.5  mm x 5 m, 4.29 W / mKANTHAL8908271数量:1
テトラフルオロエチレンテープ1/2 '' x 12 mテフロンテープRGD数量:1
反射ブラッグ格子バンドパスフィルタOptiGrateSPC-780数量:1
高周波数のaousto光変調器GoochとHousego15210数量:1
Aousto光変調器RFドライバ、周波数:210 MHz グーチとハウスゴーMHP210-1ADS2-A1数量:1
周波数ロックインアンプ スタンフォードリサーチシステムSR844数量:1
周波数カウンタ位相行列EIP 578B数量:1
任意関数発生器TektronixAFG2021数量:2
データ収集(DAQ)モジュールNational InstrumentsNI USB-6212 BNC数量:1
データ収集(DAQ)ソフトウェア ナショナルインスツルメンツLabVIEW2014数量: 1
安定化DC電源  デュアル0-30V 5AMEILIMCH-305D-ii数量: 1
熱電対MRCTP-01数量: 1
温度計MRCTM-5007数量: 1
同軸ローパスフィルタ DC-1.9 MHzミニ回路BLP-1.9+数量: 1
20%脂質エマルジョンSigma-AldrichI141-100ml数量:1
ラウンド直径25 mmカバーガラス厚:1 #Menzel Glaser150285数量:1
計算ソフトウェア MathWorksMATLAB 2015a (英語)
シングル付き1インチリニア偏光子 付き1 せん断干渉計用台座取り付けアダプター 付き5アダプター ショートアルミ波長波長ジンのポリ高

参考文献

  1. Koski, K. J., Akhenblit, P., McKiernan, K., Yarger, J. L. Non-invasive determination of the complete elastic moduli of spider silks. Nat. Mater. 12 (3), 262-267 (2013).
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  4. Scarcelli, G., et al. Noncontact three-dimensional mapping of intracellular hydromechanical properties by Brillouin microscopy. Nat. Methods. 12 (12), 1132-1134 (2015).
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