ブリルアン散乱分析用高速サブGHzの分光

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。