Name: ブリルアン散乱分析用高速サブGHzの分光 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-12-22T15:00:00.000+00:00
Duration: 13 min 31 s
Description: 学ぶブリルアン散乱分光法の高速化手法。VIPAエタロンを連結させたサブGHz分光器の構築により、生体組織の非侵襲的バイオメカニクス評価を低光量で実現し、角膜強度測定などの応用が可能となる。

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この作業は、国立衛生研究所(P41-EB015903、R21EY023043、K25EB015885)、国立科学財団(CBET-0853773)、ヒューマンフロンティアサイエンスプログラム(Young Investigator Grant)によって部分的に支援されました。

<ol><li>Brillouin, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Diffusion+de+la+lumiere+et+des+rayonnes+X+par+un+corps+transparent+homogene%3B+influence+del%27agitation+thermique%5BTitle%5D)+AND+%22Ann.+Phys.+%28Paris%29+%22%5BJournal%5D)">Diffusion de la lumiere et des rayonnes X par un corps transparent homogene; influence del'agitation thermique.</a> Ann. Phys. (Paris) . 17, 88-122 (1922).</li>
<li>Scarcelli, G., Yun, S. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Multistage+VIPA+etalons+for+high-extinction+parallel+Brillouin+spectroscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Exp%22%5BJournal%5D)">Multistage VIPA etalons for high-extinction parallel Brillouin spectroscopy.</a> Opt. Exp. 19 (11), 10913-10922 (2011).</li>
<li>Scarcelli, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Confocal+Brillouin+microscopy+for+three-dimensional+mechanical+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Phot%22%5BJournal%5D)">Confocal Brillouin microscopy for three-dimensional mechanical imaging.</a> Nat. Phot. 2 (1), 39-43 (2008).</li>
<li>Nichols, A. J., Evans, C. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Video-rate+Scanning+Confocal+Microscopy+and+Microendoscopy%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Vis.+Exp%22%5BJournal%5D)">Video-rate Scanning Confocal Microscopy and Microendoscopy.</a> J. Vis. Exp. (56), e3252(2011).</li>
<li>Steelman, Z., Meng, Z., Traverso, A. J., Yakovlev, V. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Brillouin+spectroscopy+as+a+new+method+of+screening+for+increased+CSF+total+protein+during+bacterial+meningitis%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Biophoton%22%5BJournal%5D)">Brillouin spectroscopy as a new method of screening for increased CSF total protein during bacterial meningitis.</a> J. Biophoton. 8 (5), 1-7 (2014).</li>
<li>Koski, K. J., Yarger, J. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Brillouin+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Brillouin imaging.</a> Appl. Phys. Lett. 87 (6), 061903(2005).</li>
<li>Faris, G. W., Jusinski, L. E., Hickman, A. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-resolution+stimulated+Brillouin+gain+spectroscopy+in+glasses+and+crystals%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Opt.+Soc.+Am.+B%22%5BJournal%5D)">High-resolution stimulated Brillouin gain spectroscopy in glasses and crystals.</a> J. Opt. Soc. Am. B. 10 (4), 587-599 (1993).</li>
<li>Scarcelli, G., Yun, S. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+vivo+Brillouin+optical+microscopy+of+the+human+eye%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Exp%22%5BJournal%5D)">In vivo Brillouin optical microscopy of the human eye.</a> Opt. Exp. 20 (8), 9197-9202 (2012).</li>
<li>Scarcelli, G., Besner, S., Pineda, R., Kalout, P., Yun, S. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+Vivo+Biomechanical+Mapping+of+Normal+and+Keratoconus+Corneas%5BTitle%5D)+AND+%22Jama+Ophtalmol%22%5BJournal%5D)">In Vivo Biomechanical Mapping of Normal and Keratoconus Corneas.</a> Jama Ophtalmol. , (2015).</li>
<li>Scarcelli, G., Kim, P., Yun, S. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((+In+Vivo+Measurement+of+Age-Related+Stiffening+in+the+Crystalline+Lens+by+Brillouin+Optical+Microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Biophys.+J%22%5BJournal%5D)"> In Vivo Measurement of Age-Related Stiffening in the Crystalline Lens by Brillouin Optical Microscopy.</a> Biophys. J. 101 (6), 1539-1545 (2011).</li>
<li>Antonacci, G., Foreman, M. R., Paterson, C., Török, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spectral+broadening+in+Brillouin+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Spectral broadening in Brillouin imaging.</a> Appl. Phys. Lett. 103 (22), 221105(2013).</li>
<li>Meng, Z., Traverso, A. J., Yakovlev, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Background+clean-up+in+Brillouin+microspectroscopy+of+scattering+medium%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Exp%22%5BJournal%5D)">Background clean-up in Brillouin microspectroscopy of scattering medium.</a> Opt. Exp. 22 (5), 5410-5415 (2014).</li>
<li>Reiss, S., Burau, G., Stachs, O., Guthoff, R., Stolz, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spatially+resolved+Brillouin+spectroscopy+to+determine+the+rheological+properties+of+the+eye+lens%5BTitle%5D)+AND+%22Biomed.+Opt.+Exp%22%5BJournal%5D)">Spatially resolved Brillouin spectroscopy to determine the rheological properties of the eye lens.</a> Biomed. Opt. Exp. 2 (8), 2144-2159 (2011).</li>
<li>Scarcelli, G., Kling, S., Quijano, E., Pineda, R., Marcos, S., Yun, S. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Brillouin+microscopy+of+collagen+crosslinking%3A+noncontact+depth-dependent+analysis+of+corneal+elastic+modulus%5BTitle%5D)+AND+%22Invest.+Ophthalmol.+Vis.+Sci%22%5BJournal%5D)">Brillouin microscopy of collagen crosslinking: noncontact depth-dependent analysis of corneal elastic modulus.</a> Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. 54 (2), 1418-1425 (2013).</li>
</ol>

ジュリアーノ・スカルチェッリとソク・H・ユンは、ブリルアン分光技術に関連する特許を保有しています。

この分光計の構成の重要な設計上の特徴は、二つのステージが独立して整列させることができるということです。各段階からのスペクトルパターンは、CCDカメラ上に結像されるように、1イメージングシステム：VIPAエタロンは、光路の外にスライドさせると、分光計ステージの残りのレンズは、1を形成します。したがって、他のステージの配置に影響を与えることなく、その性能を向上させるための段階のいずれかに戻ることは簡単です。プロトコルで提案されている並進ステージと自由度のセットは、独立して、分光計の両段階を最適化する能力を維持するこの哲学に従ってください。 それは自由の傾斜度は、入力窓軸周りに回転するようにVIPAエタロンを実装することは困難です。エタロンを傾け、市販の光学機械部品で動作している場合その後、必然的に入力ウィンドウの小さな翻訳を紹介します。 translat光ビーム軸に沿ってイオンがあるため、入力レンズ（〜3ミリメートル）の大きなレイリー範囲の負の効果を誘発するべきではありません。一方、ビーム伝搬軸に直交変換を大幅に分光器のスループットを減少させることができます。 VIPAホルダーの並進自...

最初の1922年にレオンブリルアン1で説明したブリルアン散乱は、固体及び液体や気体の熱密度の変動からの熱音響モードからの光の非弾性散乱です。通常、サブGHzの範囲で散乱光のスペクトルシフトは、入射光と、試料中の音響フォノンとの相互作用に関する情報を提供します。結果として、それが検査材料の粘弾性特性に関する有用な情報を提供することができます。 その自発的なバージョンでは、ブリルアン散乱は、一般的に非常に弱い信号を生じる、ラマン散乱のために、断面を有しています。また、ブリルアン周波数シフトは、ラマンシフトよりも小さい大きさのオーダーです。その結果、弾性（レイリーやミー散乱からの）散乱光、迷光、およびサンプルのオフ後方反射は、すべて簡単にブリルアンスペクトル特性を曇らせることができます。したがって、、ブリルアン分光計は、サブGHzのスペクトル分解能も高いスペクトルコントラストや絶滅を達成するだけでなく、必要があります。 伝統的なブリルアン分光器では、これらの要件は、最も一般走査格子モノクロメータ、光ビーティング法、および、マルチパススキャニングファブリペロー干渉計2によって満たされます。これらの方法は、各スペクトル成分を順次測定します。このアプローチは、機器上で、サンプルに応じて、数分から数時間に及ぶ単一のブリルアンスペクトルを取得時間につながります。二段VIPA分析計、このプロトコルを使用して構築され、効果的に他のスプリアス信号2を抑制するために十分な消光（&gt; 60 dB）を提供しながら秒未満内のスペクトル成分のすべてを収集する能力を有します。 VIPAエタロンの統合は、この分光計の重要な要素です。 VIPAは、3つの異なるCと固体エタロンであります浮動領域は：表面の残りの部分は、高反射性（HR）コーティングを備えていながら、前面には、狭い反射防止コーティングストリップは、光がVIPAを入力することができます。裏面に、部分的に反射コーティングは、光の小さな部分（約5％）が送信されることを可能にします。少し傾いVIPAの狭い入り口上に集光すると、光ビームは、VIPA 2内の固定位相差でサブコンポーネントに反映されます。サブコンポーネント間の干渉が熱望高いスペクトル分散を実現しています。交差軸構成で順次2 VIPAsを整列させること直交方向3のスペクトル分散を紹介します。直交する方向のスペクトル分散は、空間的にのみブリルアン信号をピックアップすることが可能となり、不要なクロストークからブリルアンピークを分離します。1ディスプレイを2段VIPA分光計の模式図 。光学素子の下にある矢印は、度を示します並進ステージが指向されるべき自由のREE。 <img alt="図1" class="jove_content" p="" src="/files/ftp_upload/53468/53468fig1.jpg" /> 図1.インストゥルメンタルセットアップ。光ファイバは、分光計にブリルアン散乱を提供しています。円柱レンズC1（F = 200ミリメートル）は、第一VIPA（VIPA1）の入り口に光を集光します。別のシリンドリカルレンズC2（F = 200ミリメートル）はC2の焦点面で空間的に分離するにスペクトル角度分散をマッピングします。この面では、垂直マスクは、スペクトルの所望の部分を選択するために使用されます。類似の構成は、90度に傾け、次の。ビームは球面レンズS1（F = 200ミリメートル）を通過し、第二VIPA（VIPA2）の入射スリットに集光されます。球面レンズS2（F = 200 mm）を、別の水平方向のマスクが配置され、その焦点面、2次元スペクトル分離パターンを作成します。 HORizontalマスクは色消しレンズ対を用いEMCCDカメラ上に結像される。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53468/53468fig1large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> いくつかの光学コースと基本的な位置合わせの経験を持つ学部学生は、この二段階の分光器を構築し、使用することができるはずです。分光計は、最近、標準的な光学プローブ3,4,5（例えば、共焦点顕微鏡、内視鏡、細隙灯検眼鏡）の様々な互換性のあることが示されています。ここで、分光器は、共焦点顕微鏡に接続されています。レーザ光を90:10ビームスプリッタを統合した後、標準的な研究システム倒立顕微鏡に整列されます。サンプルからの後方散乱光は、共焦点顕微鏡を作る、単一モード光ファイバに結合されます。

<table><tbody><tr><td colspan="4">OPTICS</td></tr><tr><td>VIPA (virtual image phase array)</td><td>LIGH MACHINERY</td><td></td><td>数量:</td></tr><tr><td>SM-25 マイクロメータ付き 3 つの 423 リニアステージの 2 バンドル</td><td>NEWPORT</td><td>423-MIC&nbsp;</td><td>数量:1</td></tr><tr><td>SSクロスローラーベアリングトランスレーションステージ、0.5インチ、8-32、1 / 4-20</td><td>NEWPORT</td><td>9066-X</td><td>数量:1</td></tr><tr><td>バーニアマイクロメータ、13&nbsp;mmトラベル、9ポンド耐荷重、50.8 TPI</td><td>ニューポート</td><td>SM-13</td><td>数量:1</td></tr><tr><td>調整可能な幅スリット</td><td>ニューポート</td><td>SV-0.5</td><td>数量:2</td></tr>コンパクト<tr><td>ダブテールリニアステージ、0.20インチZトラベル、1.57x1.57x1.38&nbsp;で。</td><td>NEWPORT</td><td>DS40-Z</td><td>数量:</td></tr><tr><td>2スロットベースプレート、25または40&nbsp;mmから65&nbsp;mmステージ、1.1インチ範囲</td><td>ニューポート</td><td>B-2B</td><td>数量:2</td></tr><tr><td>&Oslash;1/2 "光学ポスト、8-32止めネジ、1/4 "-20タップ、L = 2"、5パック</td><td>THORLABS</td><td>TR2-P5</td><td>数量:2</td></tr><tr><td>&Oslash;1/2 "ポストホルダー、バネ仕掛け六角ロックつまみネジ、L = 2 "、5パック</td><td>THORLABS</td><td>PH2-P5</td><td>数量:1</td></tr><tr><td>&Oslash;1/2 "ポストホルダー、スプリング式六角ロックつまみネジ、L = 3 "、5パック</td><td>THORLABS</td><td>PH3-P5</td><td>数量:</td></tr><tr><td>2インチ光学系用1インペリアルレンズマウント、8-32タップ</td><td>THORLABS</td><td>LMR2</td><td>数量:2</td></tr><tr><td>f = 200.0 mm、およびOslash;2インチアクロマティックダブレット、ARC:400-700 nm</td><td>THORLABS</td><td>AC254-200-A</td><td>数量:</td></tr><tr><td>最大1.3インチ(33&nbsp;mm) 背の高い長方形光学系、右利き用</td><td>THORLABS</td><td>KM100C</td><td>数量: 2</td></tr><tr><td>固定シリンドリカルレンズマウント、最大光学高さ: 1.60" (40.6 mm)</td><td>THORLABS</td><td>CH1A</td><td>数量: 2</td></tr><tr><td>f=200.00 mm、H=30.00 mm、L=32.0 mm、N-BK7 平凸シリンドリカルレンズ、反射防止コーティング: 350-700 nm</td><td>THORLABS</td><td>L1653L1-A</td><td>数量: 2</td></tr><tr><td>直角ポストクランプ、固定 90°C;</td><td>アダプターTHORLABS</td><td>RA90</td><td>数量:</td></tr><tr><td>外部Cマウントスレッドと内部SM1スレッド付きアダプター1</td>個 <td>THORLABS</td><td>SM1A9</td><td>数量:スタ</td></tr><tr><td>ッズ付き台座ベースアダプター1個、1/4インチ-20スレッド</td><td>THORLABS</td><td>PB4</td><td>数量:スペ</td></tr><tr><td>ーサー2個、2インチ×3インチ、厚さ1.000インチ</td><td>THORLABS</td><td>Ba2S7</td><td>数量:2</td></tr><tr><td>543 nm、f=15.01 mm、NA=0.17 FC/APCファイバーコリメーションパッケージ。</td><td>THORLABS</td><td>F260APC-A</td><td>数量:</td></tr><tr><td>&Oslash用のSM1ネジアダプター1個。11&nbsp;mmコリメータ</td><td>THORLABS</td><td>Ad11F</td><td>数量:</td></tr><tr><td>1 &Oslash用レンズマウントを翻訳します。1インチ光学系、1リテーニングリング付属</td><td>THORLABS</td><td>LM1XY</td><td>数量:シングル</td></tr><tr><td>モードパッチケーブル1本、450 - 600 nm、FC/APC、2 m 長</td><td>THORLABS</td><td>P3-460B-FC-2</td><td>数量:1</td></tr><tr><td>1:1 一致したACHR。ペア、f1 = 30 mm、f2 = 30 mm、BBAR 400-700 nm</td><td>THORLABS</td><td>MAP103030-A</td><td>数量:1</td></tr><tr><td>SM1レンズチューブ&hellip;調整する長さはCCDによって異なりますが、3.5&nbsp;THORLABS</td><td></td><td>SM1LXX</td><td>数量:</td></tr><tr><td>&Oslash用の1ベースアダプター。1/2 "ポストホルダーと&Oslash。1"ポスト</td><td>THORLABS</td><td>BE1</td><td>数量:&</td></tr><tr><td>nbsp; &Oslashのための8つのクランプフォーク;1/2 "ポストホルダーと&Oslash。1インチポスト</td><td>THORLABS</td><td>CF125</td><td>数量:8</td></tr><tr><td>HW-KIT5-ミニシリーズ用4-40キャップスクリューおよびハードウェアキット&nbsp;</td><td>THORLABS</td><td>HW-KIT5</td><td>数量: 1</td></tr><tr><td>D20S - 標準アイリス、およびオスラッシュ;最大20.0 mmの絞り&nbsp;</td><td>THORLABS</td><td>D20S</td><td>数量: 2</td></tr><tr><td colspan="4">FOR ENCLOSURE</strong</td></tr><tr><td>>25 mm 建設レール、L = 21"</td> <td>THORLABS</td><td>XE25L21</td><td>数量: 6</td></tr><tr><td>1" 建設キューブ、3 1/4" (M6) 座ぐり穴</td><td>THORLABS</td><td>RM1G</td><td>数量:</td></tr><tr><td>8 25 mm レール用直角ブラケット</td><td>THORLABS</td><td>XE25A90</td><td>数量: 12</td></tr><tr><td>25 mm建設用レール、L = 15インチ</td><td>THORLABS</td><td>XE25L15</td><td>数量:4&nbsp;</td></tr><tr><td>25 mm建設レール、L = 9 "</td><td>THORLABS</td><td>XE25L09</td><td>数量:8</td></tr>高性能<tr><td>黒マスキングテープ、2 "x 60ヤード。(50mm×55m)ロール</td><td>THORLABS</td><td>T743-2.0</td><td>数量:1</td></tr>ロー<tr><td>プロファイルTナット、1/4 "-20タップ穴、数量:10</td><td>THORLABS</td><td>XE25T3</td><td>数量:1</td></tr><tr><td>1/4 "-20ロープロファイルチャンネルネジ(100ネジ/ボックス)</td><td>THORLABS</td><td>SH25LP38</td><td>数量:1</td></tr><tr><td>60 "(W)x 3ヤード。(L) x 0.005" (T) (1.5 m x 2.7 m x 0.12 mm) ブラックアウトファブリック</td><td>THORLABS</td><td>BK5</td><td>数量: 1</td></tr><tr><td colspan="4">CAMERA, LASER and MICROSCOPE</td></tr><tr><td>EMCCDカメラ</td><td>ANDOR</td><td>iXon Ultra 897</td><td>数量: 1</td></tr><tr><td>400 mW シングルモード緑色レーザー</td><td>LASER QUANTUM</td><td>torus 532</td><td>数量: 1</td></tr><tr><td>研究用倒立システム顕微鏡&nbsp;</td><td>オリンパス</td><td>IX71</td><td>数量:1</td></tr></tbody></table>個

ブリルアン散乱分析用高速サブghzの分光

High Speed Sub-GHz Spectrometer for Brillouin Scattering Analysis

このプロトコルの目的は、並列高絶滅と高解像度光学ブリルアン分光計を構築することです。ブリルアン分光法は、粘弾性材料特性の直接読み出しを得るために使用することができる非接触測定方法です。これは、材料特性評価、構造的なモニタリングと環境センシングに有用なツールとなっています。過去には、ブリルアン分光法は、通常、スペクトル解析を実行するためのスキャンファブリペローエタロンを用いています。このプロセスは、生物医学的用途に適さない技術を作り、高い照射パワーと長い取得時間を必要とします。最近導入された新規な分光計は、交差軸構成の2つのVIPAsを用いることにより、この課題を克服します。この技術革新は、生体組織の安全限界内のサブ第2の取得時間と照明電力でサブGHz（ギガヘルツ）の分解能スペクトル解析を可能にします。この改良することによって容易に複数の新しいアプリケーションは、Cuですrrently生物学的研究および臨床応用で検討されています。

<html> 図3は、代表的なブリルアンスペクトルと異なる材料のための彼らのフィットを示しています。 VIPAs両方が約20ギガヘルツのFSRになり5mmの厚さを有します。これらの測定のための積分時間は100ミリ秒でした。 100測定値を採取し、平均しました。 1つの較正測定は、スペクトルを取得する前に採取しました。 <img alt="図3" src="/files/ftp_upload/53468/53468fig3.jpg" /> 異なる材料の3ブリルアンスペクトル図 。 測定されたデータへのローレンツ曲線当てはめ（赤）（青）。 （a）は、メタノールのブリルアンスペクトル。測定されたブリルアンシフトは5.59 GHzのです。 （b）は、エタノールのブリルアンスペクトル。測定されたブリルアンシフトは5.85 GHzのです。...

ここでは、迅速なブリルアン分光計を構築するためのプロトコルを提示します。事実上、画像化された位相配列をカスケード（VIPA）エタロンは、1,000以上の倍高速伝統的なスキャニングファブリペロー分光計より測定速度を実現。この改善は 、インビボで、低電力レベルで組織と生体材料のブリルアン分析のための手段を提供します。

ブリルアン散乱分析用高速サブGHzの分光

The goal of this protocol is to build a parallel high-extinction and high-resolution optical Brillouin spectrometer. Brillouin spectroscopy is a ...

この分光計の全体的な目的は、組織およびバイオマテリアルのブリルアン散乱シグネチャーを測定することです。ブリルアン散乱スペクトルは、縦弾性係数などの材料特性に関する非接触かつ非侵襲的な情報を提供します。この手法は、組織バイオメカニクスにおける重要な疑問の解決に寄与します。例えば、角膜組織において、円錐角膜の診断および治療に向けた角膜強度の測定が可能です。この手法の主な利点は、低光強度でスペクトル分析を実行できるため、in vivoでの使用において安全であり、生物学的イメージングが可能になることです。まず、光学ベンチ上にカメラと光ファイバーを配置します。ここでは、光路の一端にE-M-C-C-Dカメラを設置しています。カメラは画像をキャプチャし、モニターに表示している必要があります。カメラの前方約1600 millimetersの位置に、カメラと同じ高さのファイバーコリメーターを配置します。コリメーターを単一縦モードレーザーに接続します。0.1 milliwatts未満のレーザー出力を使用し、アイリスを目的の光軸に沿って移動させてアライメントを確認します。この概略図は、現時点でのセットアップの概要を示しています。次に、カメラの前方にアクロマティックレンズペアを追加します。このアクロマートレンズのペアは、焦点距離30 millimetersで一致しています。次に、水平ステージの構成要素を追加します。まず、水平移動ステージ上に水平マスクを設置し、アクロマートレンズによってカメラに像を結ぶようにします。ステージはビーム光路に対して垂直に移動させる必要があります。コンピュータ画面上の画像を確認し、この写真のようにエッジが鮮明に表示されていることを検証してください。次に、水平マスクの前方600 mmの位置に球面レンズを配置する準備に移ります。まず、ビーム調整を容易にするため、ポストとポストホルダーにそれぞれ取り付けた2つのアイリスを用意し、一方のアイリスを予定しているレンズ位置と水平マスクの間に配置します。もう一方のアイリスは、予定しているレンズ位置よりも先に配置します。ビームが両方のアイリスをスムーズに通過できるよう、アイリスの高さを調整してください。アライメントの確認が完了したら、焦点距離 200 millimeters のポスト取り付け済み球面レンズの使用に移ります。ポストホルダーを使用して、2つのアイリスの間にある水平マスクの前方 600 millimeters の位置にレンズを配置し、ポストホルダーを固定します。以下は、球面レンズ S1 を配置した後のセットアップの概略図です。次に配置する要素は、仮想像位相アレイ（vipa S）の1つ目です。vipaを追加するために、光学ベンチ上に水平移動ステージを設置します。球面レンズの前方約200 millimetersの位置で、ビームに対して垂直に移動するようにステージを向け、ポストとポストホルダーに固定したvipaホルダーをステージに取り付けます。次に、装着するvipaを用意してください。各vipaには入射スリットがあり、このvipaに合わせて適切に方向を向ける必要があります。スリットを垂直方向に向けた状態でvipaホルダーに設置し、vipaマウントの位置を微調整してください。これにより、vipaの入射口が球面レンズの焦点面に正確に一致するようにします。セットアップを継続するため、VIPAをビーム光路外へ移動させます。次に、アライメント用のアイリスを両側に備えた水平マスクの前方200 mmの位置に、2番目の球面レンズを配置する準備をしてください。なお、概略図ではVIPA 2がビーム光路外にあることを示すためにずらして配置されています。アイリス間のトランスレーションステージ上のポストを使用して、球面レンズを固定してください。作業を進める前に、翻訳ステージを光路に沿って移動するように方向を調整してください。レンズからの後方反射がアイリスをスムーズに通過することを確認します。また、レンズの反対側にあるアイリスを、出射ビームがスムーズに通過することも確認してください。次に、VIPAの入射スリット（SL）が再びビーム光路に入った状態になるよう移動させます。これは、VIPAが取り付けられている翻訳ステージの位置を調整することで行います。光がVIPAに入射する際、コンピュータモニター上のカメラ画像に現れる垂直線を確認してください。モニター上のラインを確認しながら、2番目の球面レンズの位置を調整します。ラインが鮮明になるよう移動ステージを微調整し、ピントが合ったところで停止してください。次に、vipaホルダーの調整を行います。スペクトルを調整するには、水平方向の並進自由度を使用して、ビームの入射位置をスリットに合わせます。入射スリットを移動させながら、コンピュータモニター上の画像の応答を確認してください。さらに、水平方向の傾斜自由度を使用して、ビームのスリットへの入射角を調整します。ここでも、傾斜調整のフィードバックを確認するため、コンピュータ画面上の画像をモニターしてください。これで分光計の水平ステージの設定は完了です。垂直ステージを設定するには、移動ステージを使用してvipaをビームから外側にスライドさせてください。次に、球面レンズの前方 200 millimeters の位置に、垂直マスクを配置します。マスクをビーム経路から外に移動させられるよう、垂直マスクは垂直トランスレーションステージに取り付けてください。垂直マスクがCCDカメラに鮮明に結像していることを確認します。次のコンポーネントは円柱レンズです。垂直マスクの前方600 millimetersに配置します。ポストホルダーを使用して、2つのアイリスの間に焦点距離200 millimeterのレンズを設置してください。2つ目のVIPAは、円柱レンズの前方200 mmの位置にある垂直翻訳ステージ上に設置します。VIPAをビームパスから外せるように、VIPAホルダーを垂直翻訳ステージに配置してください。ポストとポストホルダーを使用してVIPAをステージに取り付け、入射スリットが正確に水平方向を向くように注意して調整します。vipaの位置を調整し、円柱レンズの焦点面に正確に配置します。その後、ビーム光路から外します。最後の素子は2つ目の円柱レンズです。垂直マスクの前方 200 millimeters に配置します。このレンズについては、光路に沿って方向付けられた移動ステージをマウントし、そのステージ上に2つ目の円筒レンズを配置して調整します。直前に配置した vipa vipa に戻り、それをビーム光路内に戻します。垂直方向の平行移動自由度を使用して、ビームのアライナーへの入射位置を調整します。調整による影響をコンピューターモニター上のカメラ画像で確認してください。続いて、垂直方向のチルト自由度を調整し、ビームの入射角を調整します。調整による影響をコンピューターモニターで確認します。次に、システムの2つのステージを結合させます。光学系にすでに取り付けられているVIPA 1に、VIPA 2をスライドさせて合わせてください。水平および垂直に配置されたドットを観察しながら、vipa Sを調整します。単一周波数レーザーのスペクトルシグネチャを示すドットに焦点が合った時点で、コンピュータモニター上の調整を停止します。このソフトウェアのカメラソフトウェアを使用して、シグネチャの画像を撮影します。画像を右クリックし、ラインプロット（line plot）オプションを選択します。カーソルを画像上で斜めにドラッグしてラインプロットを生成してください。その後、カーソルを離すとプロットが表示されます。このサンプルプロットでフィネス（finesse）を決定するために使用される、2つの必要な測定値が示されています。まず、2つのドット間の対角線距離である自由スペクトル範囲（free spectral range）を測定します。次に、半値全幅（full width at half maximum）を測定します。自由スペクトル範囲を半値全幅で除し、その比が30より大きい場合に手順を進めてください。ベンチに戻り、分光計の周囲を遮光布で覆ったボックス骨格で囲みます（ここでは異なるセットアップで示しています）。その後、マスクとvipaに簡単にアクセスできることを確認してください。最後に、ファイバーを標準的な光学プローブに接続します。この例では、ここに共焦点顕微鏡を配置します。ブリオンシフトの測定手順を実演するため、カバーのないセットアップを使用します。まず、調整するマスクを1つ選択します。ここでは、マイクロメーターを使用して水平マスクを閉じ始めます。コンピュータモニター上のレーザーシグネチャーを確認します。目的は、四隅に見えるレーザーシグネチャーを遮断することです。トランスレーションステージを使用してマスクを水平方向に中心に合わせ、シグネチャーの遮断を行います。モニター上のレーザーシグネチャの挙動の観察を続けます。シグネチャが遮断されるまで、マスクの閉鎖と移動を繰り返します。その後、垂直マスクに対しても同様の操作を行います。サンプルをロードした状態で、垂直ステージマスクを開き、垂直ステージのスループットの最適化を開始します。垂直ステージのvipa vipaへと移動し、vipaの傾斜位置を変化させてALへの入射角の範囲を調整しながら、分光計の次数をスキャンし、信号が最も鋭い次数で停止します。レーザー信号が消えるまで、再びマスクを閉じます。測定を行う前に、水平マスクとvipaを用いて最適化プロセスを繰り返します。以下は、メタノール、エタノール、およびポリスチレンで測定されたBrionスペクトルです。これらのプロットにおいて、測定データは青色で示されています。Lian曲線のフィッティングを赤色で示しています。使用したVIPAの厚さは5 mmであり、自由スペクトル範囲は約20 GHzです。積分時間は100 msでした。100回の測定を行い、その平均値を算出しました。ブリオンシフトは、以前に発表された結果と一致しています。このヒストグラムは、メタノールの250回連続測定で得られたブリオンシフトを示したものです。得られたデータにより、分光計のアライメントが最適であるかを確認することができました。試料への光強度が5 mWで、積分時間が100 msの場合、適切にアライメントされた分光計の標準偏差は約10 MHzになります。この手順を行う際は、レーザー光や散乱光を使用する場合にカメラの設定を変更することを忘れないでください。そうしないと、E-M-C-C-Dカメラが飽和し、時間の経過とともに劣化します。レーザーの使用は非常に危険であるため、レーザービームを直接見ないなどの予防策を忘れないでください。本手順を実施する際は、常に保護メガネを着用し、目の高さより低い位置でアライメントを行う必要があります。

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Research

JoVE Journal

Bioengineering

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