브릴 루앙 산란 분석을위한 고속 서브 GHz의 분광계

본 분광계의 전반적인 목표는 조직과 생체 재료의 브릴루앙(Brion) 산란 특성을 측정하는 것입니다. 브릴루앙 산란 스펙트럼은 종탄성계수와 같은 재료 특성에 대한 비접촉 및 비침습적 정보를 제공합니다. 이 방법은 조직 생체역학의 핵심적인 질문들에 대한 답을 찾는 데 도움이 될 수 있습니다. 예를 들어, 각막 조직의 경우 원추각막의 진단과 치료를 위해 각막 강도를 측정할 수 있습니다.

이 기술의 주요 장점은 낮은 광출력으로 분광 분석을 수행할 수 있어 생체 내(in vivo) 사용이 안전하며, 이를 통해 생물학적 이미징이 가능하다는 것입니다. 광학 벤치 위에 카메라와 광섬유가 배치된 상태에서 시작합니다. 여기서는 광경로의 한쪽 끝에 E-M-C-C-D 카메라가 장착되어 있습니다. 카메라는 이미지를 획득하여 모니터에 표시하고 있어야 합니다.

카메라 전방 약 1600 millimeters 지점에 카메라 높이와 동일하게 파이버 콜리메이터(fiber collimator)를 배치하십시오. 콜리메이터를 단일 종모드 레이저에 연결하십시오.

0.1 milliwatts 미만의 레이저 출력을 사용하고, 조리개를 원하는 광축을 따라 이동시켜 정렬 상태를 확인하십시오. 이 도식은 현재 단계의 설정 개요를 제공합니다. 다음으로, 카메라 앞에 아로마틱 렌즈 쌍(aromatic lens pair)을 추가하십시오.

이 매칭된 아크로매틱 렌즈 쌍의 초점 거리는 30mm입니다. 이제 수평 스테이지를 위한 구성 요소를 추가하십시오. 먼저 수평 이동 스테이지 위에 수평 마스크를 추가하여 아크로매틱 렌즈를 통해 카메라에 상이 맺히도록 합니다.

스테이지는 빔 경로에 수직으로 이동해야 합니다. 컴퓨터 화면의 이미지를 모니터링하여 이 사진과 같이 이미지의 가장자리가 선명하게 나타나는지 확인하십시오. 이제 수평 마스크 앞 600 millimeters 지점에 구면 렌즈를 배치하기 위한 준비 단계로 넘어가십시오.

먼저 빔 정렬을 돕기 위해 포스트와 포스트 홀더에 각각 아이리스 2개를 준비하고, 하나의 아이리스를 예정된 렌즈 위치와 수평 마스크 사이에 배치하십시오. 다른 하나의 아이리스는 예정된 렌즈 위치 너머에 배치하십시오. 아이리스의 높이를 조절하여 빔이 두 아이리스를 모두 깨끗하게 통과할 수 있도록 하십시오.

정렬 확인이 끝나면, 초점 거리가 200 millimeters인 포스트 장착 구면 렌즈를 사용하여 작업을 진행하십시오. 포스트 홀더를 사용하여 두 아이리스 사이의 수평 마스크 앞 600 millimeters 지점에 렌즈를 배치하고 포스트 홀더를 고정하십시오. 다음은 구면 렌즈 S1이 배치된 후의 설정 도식입니다.

다음으로 추가할 요소는 가상 이미지 위상 배열 또는 vipa S의 첫 번째 요소입니다. vipa를 추가하려면 벤치 위에 수평 이동 스테이지를 배치하십시오. 구면 렌즈 앞 약 200 millimeters 지점에서 빔에 수직으로 이동하도록 스테이지를 정렬하고, 포스트와 포스트 홀더에 장착된 vipa 홀더를 스테이지에 고정하십시오. 이제 장착할 vipa를 준비하십시오.

각 vipa에는 입구 슬릿이 있으며, 이 vipa에 맞게 적절히 방향을 설정해야 합니다. 슬릿이 수직 방향이 되도록 vipa 홀더에 배치하고 vipa 마운트의 위치를 미세하게 조정하십시오. 이를 통해 vipa 입구가 구면 렌즈의 초점 평면에 정확히 위치하도록 합니다.

설정을 계속하기 위해 vipa를 빔 경로 밖으로 이동시킵니다. 다음으로, 정렬을 위해 양측에 조리개가 달린 수평 마스크 앞 200 밀리미터 지점에 두 번째 구면 렌즈를 배치할 준비를 하십시오. 도식에서는 Vipa 2가 빔 경로 밖에 있음을 나타내기 위해 위치가 치우쳐져 있음에 유의하십시오. 조리개 사이의 이동 스테이지 위에 포스트를 사용하여 구면 렌즈를 장착하십시오.

진행하기 전, 이동 스테이지가 광로를 따라 움직이도록 정렬하십시오. 렌즈에서 반사된 빛이 아이리스를 통해 깨끗하게 통과하는지 확인하십시오. 또한, 나가는 빔이 렌즈 반대편의 아이리스를 통해 깨끗하게 통과하는지 확인하십시오.

그 다음 vipa를 이동시켜 입사 슬릿(SL)이 다시 빔 경로에 오도록 합니다. vipa가 부착된 이동 스테이지의 위치를 조정하여 이를 수행합니다. 빛이 vipa로 들어옴에 따라 컴퓨터 모니터의 카메라 이미지에 나타나는 수직선을 관찰하십시오.

모니터의 선들을 관찰하면서 두 번째 구면 렌즈의 위치를 조정하십시오. 정밀하게 이동 스테이지를 조정하여 선들을 선명하게 만들고, 선들이 초점에 들어오면 멈춥니다. 다음으로, vipa 홀더를 조정하십시오.

스펙트럼을 조정하려면, 수평 이동 자유도를 사용하여 빔의 입사 위치를 lon에 맞게 조정하십시오. 입사 슬릿이 이동함에 따라 컴퓨터 모니터에 나타나는 이미지의 반응을 관찰하십시오. 또한, 수평 기울기 자유도를 사용하여 al on으로 들어가는 빔의 입사각을 조정하십시오.

다시 한번 컴퓨터 화면의 영상을 모니터링하여 기울기 조정에 대한 피드백을 확인하십시오. 이 시점에서 분광계의 수평 스테이지 설정이 완료됩니다. 수직 스테이지를 설정하려면, 이동 스테이지를 사용하여 vipa를 빔 밖으로 밀어내십시오.

다음으로 구면 렌즈 앞 200 millimeters 지점에, 마스크가 빔 경로에서 벗어날 수 있도록 수직 이동 스테이지에 장착된 수직 마스크를 배치합니다. 수직 마스크가 CCD 카메라에 선명하게 결상되었는지 확인하십시오.

다음 구성 요소는 원통형 렌즈입니다. 수직 마스크 전방 600 millimeters 지점에 배치합니다. 포스트 홀더를 사용하여 두 개의 아이리스 사이에 초점 거리 200 millimeter 렌즈를 설치하십시오.

두 번째 vipa는 원통형 렌즈 앞 200 millimeters 지점의 수직 이동 스테이지 위에 배치합니다. vipa를 빔 경로 밖으로 이동시킬 수 있도록 수직 이동 스테이지에 vipa 홀더를 설치하십시오. 포스트와 포스트 홀더를 사용하여 vipa를 스테이지에 장착하되, 입구 슬릿이 수평으로 정밀하게 정렬되도록 주의하십시오.

vipa의 위치를 조정하여 원통형 렌즈의 초점 평면에 정확히 배치하십시오. 그런 다음 빔 경로 밖으로 이동시키십시오. 마지막 요소는 두 번째 원통형 렌즈입니다.

수직 마스크 앞 200 millimeters 지점에 배치합니다. 이 렌즈의 경우, 광로를 따라 정렬된 이동 스테이지를 장착하고 스테이지 위에 두 번째 원통형 렌즈를 정렬합니다. 가장 최근에 배치한 vipa vipa로 돌아가 이를 다시 빔 경로로 이동시킵니다.

수직 이동 자유도를 사용하여 빔이 정렬 장치로 진입하는 위치를 조정하십시오. 조정에 따른 효과를 컴퓨터 모니터의 카메라 이미지로 관찰하십시오. 이어서 수직 기울기 자유도를 조정하여 빔의 입사각을 맞추십시오.

조정 결과에 대한 피드백을 확인하기 위해 컴퓨터 모니터를 관찰하십시오. 이제 시스템의 두 단계를 결합할 차례입니다. 광로에 먼저 설치된 VIPA 2를 슬라이딩하여 결합하십시오.

수평 및 수직으로 간격이 배치된 점들을 관찰하면서 vipa S를 조정하십시오. 단일 주파수 레이저의 스펙트럼 시그니처 점들이 초점에 맞으면 컴퓨터 모니터를 정지하십시오. 해당 소프트웨어의 카메라 소프트웨어를 사용하여 시그니처 이미지를 촬영하십시오.

이미지를 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하고 라인 플롯 옵션을 선택하십시오. 커서를 이미지 상에서 대각선으로 드래그하여 라인 플롯을 생성하십시오. 그런 다음 커서를 놓으면 플롯이 표시되며, 이 샘플 플롯에서 피네스(finesse)를 결정하는 데 사용되는 두 가지 필수 측정값이 표시됩니다.

먼저, 두 점 사이의 대각선 거리인 자유 스펙트럼 범위(free spectral range)를 측정합니다. 다음으로 반치폭(full width at half maximum)을 측정합니다. 자유 스펙트럼 범위를 반치폭으로 나누고, 그 비율이 30보다 크면 계속 진행합니다.

실험대로 돌아와서, 분광계를 암막 천으로 덮인 박스 프레임으로 둘러쌉니다(여기서는 다른 설정으로 시연됨). 계속하기 전에 마스크와 vipa에 쉽게 접근할 수 있는지 확인하십시오. 마지막으로, 파이버를 표준 광학 프로브에 연결합니다. 이 사례에서는 공초점 현미경이 여기에 위치합니다.

브리온 시프트를 측정하는 단계를 시연하기 위해 덮개가 없는 장치를 사용합니다. 먼저, 조정할 마스크 하나를 선택합니다. 이 경우, 마이크로미터를 사용하여 수평 마스크를 닫기 시작하십시오.

컴퓨터 모니터에서 레이저 시그니처를 관찰하십시오. 목표는 모서리 부분에 보이는 레이저 시그니처를 차단하는 것입니다. 트랜슬레이션 스테이지를 사용하여 마스크를 수평으로 중앙에 배치함으로써 시그니처 차단을 수행하십시오.

모니터에서 레이저 시그니처의 거동을 계속 관찰하십시오. 시그니처가 차단될 때까지 마스크를 닫고 이동시키는 과정을 반복합니다. 그 다음 수직 마스크에 대해서도 동일하게 수행하십시오.

샘플을 로드한 후, 수직 스테이지 처리량을 최적화하기 위해 수직 스테이지 마스크를 엽니다. 수직 스테이지 vipa vipa 하나로 이동하여 vipa 기울기 위치를 조정함으로써 AL로 들어가는 입력 각도 범위를 설정하고, 분광계 차수를 스캔하여 신호가 가장 날카로운 차수에서 멈춥니다. 레이저 신호가 사라질 때까지 마스크를 다시 닫습니다.

측정을 수행하기 전에 수평 마스크와 vipa를 사용하여 최적화 과정을 반복하십시오. 다음은 메탄올, 에탄올 및 폴리스티렌에 대해 측정된 Brion 스펙트럼입니다. 이 그래프에서 파란색으로 표시된 것이 측정 데이터입니다.

Lian 곡선 피팅은 빨간색으로 표시되었습니다. 사용된 vipa의 두께는 5 mm이며, 이에 따른 자유 스펙트럼 범위(free spectral range)는 약 20 GHz입니다. 적분 시간은 100 ms였습니다.

100회 측정을 수행하여 평균값을 산출하였습니다. Brion 이동 값은 이전에 발표된 결과와 일치합니다. 이 히스토그램은 메탄올의 250회 연속 측정에서 나타난 Brion 이동 값입니다.

이 데이터는 분광계 정렬이 최적 상태인지 판단하는 데 도움이 되었습니다. 시료에 5 mW의 빛을 조사하고 적분 시간을 100 ms로 설정했을 때, 정렬이 잘 된 분광계의 표준 편차는 약 10 MHz입니다. 이 절차를 수행할 때, 레이저 광이나 산란광을 사용하는 경우 카메라 설정을 변경해야 함을 기억하는 것이 중요합니다.

그렇지 않으면, E-M-C-C-D 카메라는 포화 상태가 되어 시간이 지남에 따라 성능이 저하됩니다. 레이저 작업은 매우 위험할 수 있으며, 레이저 빔을 절대 정면으로 바라보지 않는 등의 주의 사항을 잊지 마십시오. 본 절차를 수행하는 동안에는 항상 보안경을 착용하고 눈 높이보다 낮은 위치에서 정렬 작업을 수행해야 합니다.