High Speed ​​Sub-GHz Spectrometer voor Brillouin Scattering Analyse

Het algemene doel van deze spectrometer is het meten van Brillouin-verstrooiingskenmerken van weefsels en biomaterialen. Brillouin-verstrooiingsspectra bieden contactloze, niet-invasieve informatie over materiaaleigenschappen, zoals de longitudinale elastische modulus. Deze methode kan helpen bij het beantwoorden van kernvragen in de weefselbiomechanica. In hoornvliesweefsel kunnen we bijvoorbeeld de sterkte van het hoornvlies meten voor de diagnose en behandeling van keratoconus.

Het belangrijkste voordeel van deze techniek is dat we spectrale analyse kunnen uitvoeren met een laag lichtvermogen, waardoor het veilig is voor in vivo gebruik, wat biologische beeldvorming mogelijk maakt. Begin met een camera en een optische vezel in positie op een optische bank. Hier is een E-M-C-C-D camera gemonteerd aan één uiteinde van het optische pad. De camera moet beelden vastleggen en deze weergeven op een monitor.

Ongeveer 1600 millimeters voor de camera. Plaats een vezelcollimator op camerahoogte. Verbind de collimator met een laser met een enkele longitudinale modus.

Gebruik een laservermogen van minder dan 0.1 milliwatts en controleer de uitlijning door de iris langs de gewenste optische as te bewegen. Dit schema geeft een overzicht van de opstelling op dit punt. Voeg vervolgens een aromatisch lenspaar voor de camera toe.

Dit passende aromatische lenspaar heeft een brandpuntsafstand van 30 millimeter. Begin nu met het toevoegen van elementen voor de horizontale tafel. Plaats eerst een horizontaal masker op een horizontale translatie-tafel, zodat dit door de aromatische lens op de camera wordt afgebeeld.

De tafel moet loodrecht op het straalpad bewegen. Controleer het beeld op het computerscherm om te verifiëren dat het beeld scherpe randen vertoont, zoals in deze foto. Ga verder met de voorbereidingen voor het plaatsen van een bolle lens, 600 millimeters vóór het horizontale masker.

Bereid eerst twee irissen voor, elk op een post en posthouder, om te helpen bij de uitlijning van de straal; plaats één iris tussen de beoogde lenspositie en het horizontale masker. Plaats de andere iris voorbij de beoogde lenspositie. Zorg ervoor dat de hoogte van de irissen zodanig is dat de straal ongehinderd door beide kan passeren.

Wanneer de controle van de uitlijning is voltooid, kan er worden gewerkt met de op een standaard gemonteerde sferische lens met een brandpuntsafstand van 200 millimeter. Gebruik een standaardhouder om de lens 600 millimeter vóór het horizontale masker tussen de twee irissen te plaatsen en zet de standaardhouder vast. Hier is een schema van de opstelling nadat de sferische lens, S1, is gepositioneerd.

Het volgende element dat moet worden toegevoegd is de eerste van de virtueel afgebeelde fase-arrays of vipa's. Om de vipa te plaatsen, moet er een horizontale translatieplateau op de werkbank staan. Richt het plateau, dat zich ongeveer 200 millimeter vóór de sferische lens bevindt, zo uit dat het loodrecht op de bundel beweegt; aan het plateau is een vipa-houder bevestigd op een staaf en staafhouder. Pak nu de vipa die gemonteerd moet worden.

Elke vipa heeft een toegangsplek, die voor deze vipa correct georiënteerd moet zijn. Plaats deze in de vipa-houder met de opening verticaal georiënteerd en voer fijne aanpassingen uit aan de positie van de vipa-ophanging, zodat de vipa-ingang zich precies in het brandvlak van de sferische lens bevindt.

Verschuif de vipa uit de straal om verder te gaan met de opstelling. Bereid vervolgens de plaatsing voor van de tweede sferische lens, 200 millimeter voor het horizontale masker met aan weerszijden irissen voor de uitlijning; let op dat Vipa twee in het schema is verschoven om aan te geven dat deze zich buiten het straalpad bevindt. Monteer de sferische lens met behulp van een standaard op een translatievlak tussen de irissen.

Richt de vertaaltrap zo uit dat deze langs het optische pad beweegt voordat u verdergaat. Controleer of de terugkaatsing van de lens ongehinderd door de iris gaat. Controleer daarnaast of de uitgaande straal ongehinderd door de iris aan de tegenovergestelde zijde van de lens gaat.

Verplaats vervolgens de vipa zodat de ingang SL weer in het straalpad ligt. Dit gebeurt door de positie van de translatiepodia waaraan deze is bevestigd aan te passen. Terwijl het licht de vipa binnengaat, observeert u de verticale lijnen van het camerabeeld op de computermonitor.

Ga verder met het aanpassen van de positie van de tweede sferische lens terwijl u de lijnen op de monitor observeert. Pas de translatietafel nauwkeurig aan om de lijnen scherper te stellen en stop wanneer de lijnen in focus komen. Werk vervolgens met de vipa-houder.

Om het spectrum aan te passen, gebruikt u de horizontale translatievrijheidsgraad om de ingangspositie van de bundel ten opzichte van de spleet af te stellen. Observeer de reactie van het beeld op de computermonitor terwijl de ingangsspleet wordt verschoven. Gebruik daarnaast de horizontale kantelvrijheidsgraad om de invalshoek van de bundel in de spleet af te stellen.

Controleer opnieuw het beeld op het computerscherm voor feedback over de kantelinstellingen. Op dit punt is de horizontale fase van de spectrometer voltooid. Om de verticale fase in te stellen, schuift u de vipa met de translatietraverse uit de straal.

Plaats vervolgens op een positie 200 millimeters vóór de sferische lens een verticaal masker dat is gemonteerd op een verticale translatiepodia, zodat het masker uit de straalpad kan worden bewogen. Zorg ervoor dat het verticale masker scherp wordt afgebeeld op de CCD-camera.

Het volgende component is een cilindrische lens, 600 millimeter vóór het verticale masker. Gebruik een lenshouder om een lens met een brandpuntsafstand van 200 millimeter tussen twee diafragma's te plaatsen.

De tweede vipa bevindt zich op een verticale translatietrap 200 millimeters vóór de cilindrische lens. Plaats de vipa-houder op een verticale translatietrap zodat de vipa uit de straalweg kan worden bewogen. Monteer de vipa met een staaf en staafhouder aan de trap en zorg ervoor dat de ingangsspleet nauwkeurig horizontaal is georiënteerd.

Pas de positie van de vipa aan om deze precies in het brandvlak van de cilindrische lens te plaatsen. Verplaats deze vervolgens uit het pad van de bundel. Het laatste element is een tweede cilindrische lens.

Plaats deze 200 millimeter vóór het verticale masker. Positioneer voor deze lens een translatievlak dat is georiënteerd langs de montage van het optische pad en richt de tweede cilindrische lens op het vlak uit. Keer terug naar de meest recent geplaatste vipa vipa één en verplaats deze terug in het straalpad.

Gebruik de verticale translatievrijheidsgraad om de ingangspositie van de bundel in de al on af te stellen. Observeer het effect van de afstelling op het camerabeeld op de computermonitor. Ga vervolgens verder door de verticale kantelvrijheidsgraad aan te passen om de invalshoek van de bundel af te stellen.

Houd de computermonitor in de gaten voor feedback over de effecten van de aanpassingen. Nu is het tijd om de twee fasen van het systeem te combineren. Doe dit door VIPA twee te schuiven, waarbij de eerste al in het optische pad is gemonteerd.

Stel de vipa S af terwijl u de horizontaal en verticaal verdeelde stippen observeert. Stop bij het computerscherm wanneer de stippen van de spectrale signatuur van de laser met enkele frequentie scherp zijn. Maak een afbeelding van de signatuur met de camerasoftware in deze software.

Klik met de rechtermuisknop op de afbeelding en kies de optie voor de lijngrafiek. Sleep de cursor diagonaal over de afbeelding om een lijngrafiek te genereren. Laat vervolgens de cursor los om de grafiek te bekijken die zal worden gebruikt om de finesse te bepalen; in deze voorbeeldgrafiek zijn de twee benodigde metingen aangegeven.

Meet eerst de diagonale afstand tussen twee stippen, het vrije spectrale bereik. Meet vervolgens de volledige breedte op halve hoogte. Deel het vrije spectrale bereik door de volledige breedte op halve hoogte en ga verder als de verhouding groter is dan 30.

Terug bij de werkbank: omring de spectrometer met een doosframe bedekt met lichtdichte stof, zoals hier gedemonstreerd met een andere opstelling, voordat u verder gaat; zorg ervoor dat de maskers en de vipa gemakkelijk toegankelijk zijn. Sluit tot slot de vezel aan op een standaard optische probe. In dit geval komt hier een confocale microscoop.

Een open opstelling wordt gebruikt om de stappen bij het meten van de brion-verschuiving te demonstreren. Selecteer eerst een van de maskers dat moet worden afgesteld. Begin in dit geval met het sluiten van het horizontale masker met behulp van de micrometer.

Observeer de lasersignatuur op de computermonitor. Het doel is om de lasersignatuur in de hoeken te blokkeren. Gebruik de vertaaltabel om het masker horizontaal te centreren om te helpen de signatuur te blokkeren.

Blijf het gedrag van de lasersignatuur op de monitor observeren. Herhaal het sluiten en verschuiven van het masker totdat de signatuur is geblokkeerd. Doe vervolgens hetzelfde met het verticale masker.

Zodra het monster is geladen, open dan het masker van de verticale stage om de doorvoer van de verticale stage te optimaliseren. Ga over naar de verticale stage vipa vipa één, varieer de vipa-kantelpositie over de ingangshoeken naar de AL, scan door de spectrometer-ordes en stop bij de orde met het scherpste signaal. Sluit het masker opnieuw totdat het lasersignaal verdwijnt.

Herhaal het optimalisatieproces met het horizontale masker en vipa voordat de metingen worden uitgevoerd. Hier zijn de gemeten Brion-spectra voor methanol, ethanol en polystyreen. In deze grafieken zijn de gemeten gegevens in het blauw weergegeven.

De Lian-curvefit is in het rood weergegeven. De gebruikte vipa's hebben een dikte van vijf millimeter, wat resulteert in een vrije spectrale range van ongeveer 20 gigahertz. De integratietijd bedroeg 100 milliseconden.

Er zijn 100 metingen uitgevoerd en hiervan is het gemiddelde bepaald. De Brion-verschuivingen komen overeen met eerder gepubliceerde resultaten. Dit histogram toont de Brion-verschuivingen die zijn gevonden in 250 opeenvolgende metingen van methanol.

De gegevens hielpen bepalen of de uitlijning van de spectrometer optimaal is. Een goed uitgelijnde spectrometer met vijf milliwatt licht op het monster en een integratietijd van 100 milliseconden zal een standaarddeviatie van ongeveer 10 megahertz hebben. Tijdens het uitvoeren van deze procedure is het belangrijk om te onthouden de camera-instellingen te wijzigen wanneer laserlicht of verstrooid licht wordt gebruikt.

Anders zal de E-M-C-C-D camera verzadigd raken en na verloop van tijd verslechteren. Vergeet niet dat werken met lasers uiterst gevaarlijk kan zijn en dat voorzorgsmaatregelen, zoals het nooit rechtstreeks in de laserstraal kijken, essentieel zijn. Tijdens het uitvoeren van deze procedure moet altijd een veiligheidsbril worden gedragen en moet de uitlijning onder ooghoogte plaatsvinden.