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

本実験の目標は、濁った試料と濁っていない試料の透過刺激ブリルアンスペクトルを高い分光分解能と速度で取得するための連続波刺激ブリルアン散乱分光器を構築・運用することです。この方法により、細胞や組織などの生体材料のメカニズムを調査するためのブリルアン分光法とイメージングの使用を進歩させることができます。この技術の主な利点は、濁った物質と濁っていない物質のブリルアンスペクトルを迅速に取得できることです。

実験を開始するには、CW-SBS分光器のコンポーネントが光学基板にしっかりと取り付けられていることを確認してください。カスタムデータ集録ソフトウェアが、マイクロ波周波数カウンタ、ロックインアンプ、ポンプおよびプローブレーザーコントローラ、および関数発生器からデータを受信していることを確認します。次に、直径25mm、厚さ0.17mmのガラスカバースリップ2枚、厚さ500μmのポリテトラフルオロエチレンテープ2本でできたサンプルチャンバーを蒸留水で満たします。

チャンバーホルダーを3軸電動トランスレーションステージに取り付けます。水サンプルをチャンバーホルダーに固定します。サンプルをプローブの共通の焦点に移動し、集光レンズをポンピングします。

次に、ポンプレーザー出力が250ミリワットを超えるまで、テーパーアンプポンプレーザーコントローラーの電流ノブを調整します。ロックイン・アンプの時定数を 1 秒に、ローパス・フィルタを 24 デシベル/オクターブに、感度を 1 ミリボルト RMS に設定します。アンプのリファレンスと信号入力の間の位相シフトをゼロに設定します。

チャネル 1 の浮遊ポンプ反射を監視しながら、観測された反射が最小になるまでポンプ レーザー電流をゆっくりと調整します。次に、ルビジウム蒸気セル加熱アセンブリの電源を17ボルトDCに設定します。ルビジウムセルが摂氏90度で安定したら、プローブレーザー集束レンズの前にパワーメーターを置きます。測定された電力が10ミリワットを超えるまで、プローブレーザー電流をゆっくりと調整します。

次に、ルビジウムセルの後ろにパワーメーターを動かします。測定された電力が最小になるまで、プローブのレーザー温度を調整します。次に、測定された電力が10ミリワット以上で安定するまで、プローブレーザー電流を調整します。

プローブレーザー電流を変更して、ポンプレーザーとプローブレーザーの間の周波数離調をサンプルのブリルアンシフトにほぼ設定します。ロックインアンプの感度を100マイクロボルトRMSに設定し、位相シフトをゼロに戻します。次に、ポンプビームフォールディングミラーキネマティックマウントのピッチネジとヨーネジを慎重に回し、ポンプ集束レンズをシステムの光軸に沿って移動させて、ポンプレーザーとプローブレーザーの交差効率を最適化します。

プローブビームをブロックし、ロックインアンプのチャネル1を監視しながら、浮遊ポンプのレーザー反射のレベルに注意してください。チャンバーとサンプルからのポンプの漂遊反射を適切に除去することが重要です。必要に応じて、ルビジウムセルの前に配置された虹彩をわずかに閉じ、ポンプとプローブレーザーの間の交差角をわずかに大きくして、除去レベルを改善します。

プローブビームのブロックを解除し、誘導されたブリルアンゲイン信号が最大で2マイクロボルトRMSを超え、浮遊ポンプ反射が一定最小になるまで、ポンプレーザーミラーと集光レンズの調整を続けます。サンプルに対してシステムが最適化されたら、プローブされた変調電流とポンププローブ周波数のデチューニングのプロットから検量線を作成します。ロックインアンプの時定数を100マイクロ秒以上に設定します。

レーザーコントローラーの電流変調入力に接続されている関数発生器をチャンネル1に設定します。三角波を選択し、振幅を150ミリボルトのピークtoピーク電圧に設定し、周波数を50ヘルツに設定します。データ収集ユニットのサンプリングレートをチャネルあたり毎秒100、000サンプル以下に設定します。

カスタム・データ・アクイジション・ソフトウェアを使用して、SBGとプローブ・レーザ変調電流信号を少なくとも10ミリ秒にわたって記録します。取得したデータを計算ソフトウェアにインポートします。検量線を使用して、測定されたプローブ レーザー変調電流値をポンプ プローブ周波数の離調値に変換します。

平均ノイズフロアを差し引きます。SBG 測定値をポンプ プローブ周波数の離調値に対してプロットし、SBG スペクトルを生成します。振幅、周波数位置、およびスペクトルの最高点の半分の全幅を初期値として使用して、スペクトルをローレンツ曲線で近似します。

ブリルアンシフトと線幅は、ローレンツ近似の最大値と半値での全幅の周波数位置からそれぞれ計算します。繰り返されるローレンツ近似スペクトルの値を使用して、対応するヒストグラムを生成します。蒸留水および脂質エマルジョン組織ファントムサンプルのSBGスペクトルは、この方法を使用して約8マイクロメートルの空間分解能で生成されました。

水サンプルは10秒と10ミリ秒で取得され、脂質サンプルは10秒と100ミリ秒で取得されました。急速に取得したスペクトルから決定された平均ブリルアンシフトは、水で5.08ギガヘルツ、組織ファントムで5.11ギガヘルツでした。これらの値は、10 秒間にわたって記録されたスペクトルから計算された値および文献値と一致していました。

各サンプルに対して200回の連続測定が行われ、推定されたブリルアンシフトの分布の標準偏差が評価されました。標準偏差は、水サンプルと組織サンプルでそれぞれ8.5メガヘルツと33メガヘルツでした。このビデオを見れば、刺激されたブリルアン散乱分光計を組み立てて操作し、誘導されたブリルアンの水や組織のようなサンプルのスペクトルを透過モードで迅速に測定する方法を十分に理解できるはずです。