High-Speed Continuous-wave gestimuleerd Brillouin verstrooiing Spectrometer voor materiaal analyse

Het doel van dit experiment is om een continue-golf gestimuleerde Brillouin-verstrooiingsspectrometer te construeren en te bedienen om transmissiegestimuleerde Brillouin-spectra van troebele en niet-troebele monsters met hoge spectroresolutie en snelheid te verkrijgen. Deze methode kan het gebruik van Brillouin-spectroscopie en -beeldvorming verbeteren voor het onderzoeken van de mechanica van biomaterialen zoals cellen en weefsel. Het grote voordeel van deze techniek is dat het een snelle verwerving van Brillouin-spectra van troebel en niet-troebel materiaal kan bieden.

Om het experiment te beginnen, controleert u of de componenten van de CW-SBS-spectrometer stevig gemonteerd zijn op een optisch bord. Controleer of de aangepaste data-acquisitiesoftware gegevens ontvangt van de microgolffrequentieteller, de lock-in versterker, de pomp- en sondelasercontrollers en de functiegenerator. Vul vervolgens een monsterkamer gemaakt van twee glazen deksels van 25 millimeter diameter en 0,17 millimeter dik met gedistilleerd water en polytetrafluorethyleen tape van 500 micrometer dik.

Monteer een kamerhouder op een drie-assige gemotoriseerde translatiestand. Bevestig het watermonster in de kamerhouder. Verplaats het monster naar het gemeenschappelijke focuspunt van de focuslens van de sonde en de pomp.

Stel vervolgens de stroomschakelaar van de vernauwde versterkerpomplasercontroller in totdat het vermogen van de pomplaser boven de 250 milliwatt ligt. Stel de tijdconstante van de lock-in versterker in op één seconde, de laagdoorlaatfilter op 24 decibel per octaaf en de gevoeligheid op één millivolt RMS. Stel de faseverschuiving tussen de referentie- en signaalinputs van de versterker op nul.

Terwijl u de verstrooide pompreflecties op kanaal één bewaakt, stelt u langzaam de stroom van de pomplaser in totdat de waargenomen reflecties minimaal zijn. Stel vervolgens de voeding van de rubidiumdampochtbuisverwarmingsassemblage in op 17 volt DC. Zodra de rubidiumcel is gestabiliseerd op 90 graden Celsius, plaatst u de vermogensmeter voor de focuslens van de sondelaser. Stel langzaam de stroom van de sondelaser in totdat het gemeten vermogen meer dan 10 milliwatt is.

Verplaats vervolgens de vermogensmeter achter de rubidiumcel. Stel de temperatuur van de sondelaser in totdat het gemeten vermogen minimaal is. Pas vervolgens de stroom van de sondelaser aan totdat het gemeten vermogen boven de 10 milliwatt is gestabiliseerd.

Verander de stroom van de sondelaser om de frequentieafstemming tussen de pomp- en sondelaser in te stellen op ongeveer de Brillouin-verschuiving van het monster. Stel de gevoeligheid van de lock-in versterker in op 100 microvolt RMS en stel de faseverschuiving terug op nul. Draai vervolgens voorzichtig de pitch- en yaw-schroeven van de kinematische montage van de pompstraalvouwspiegel en verplaats de pompfocuslens langs de optische as van het systeem om de kruisefficiëntie van de pomp- en sondelaser te optimaliseren.

Blokkeer de sondebundel en noteer de niveaus van de verstrooide pomplaserreflecties terwijl u kanaal één van de lock-in versterker bewaakt. Het is van cruciaal belang om de verstrooide pompreflecties van de kamer en het monster goed te weigeren. Indien nodig, sluit u de iris voor de rubidiumcel enigszins en verhoogt u de kruishoek tussen de pomp- en sondelaser om de weigeringsniveaus te verbeteren.

Deblokkeer de sondebundel en blijf de pomplaserspiegel en focuslens aanpassen tot het gestimuleerde Brillouin-versterkingssignaal maximaal is boven de twee microvolt RMS en de verstrooide pompreflecties op een constant minimum staan. Zodra het systeem is geoptimaliseerd voor het monster, maakt u een kalibratiecurve aan een grafiek van de gemoduleerde sondestroom versus pomp-sondefrequentieafstemming. Stel de tijdconstante van de lock-in versterker in op groter dan of gelijk aan 100 microseconden.

Stel de functiegenerator verbonden met de stroommodulatie-ingang van de lasercontroller in op kanaal één. Selecteer een driehoeksgolfvorm, stel de amplitude in op een piek-piekspanning van 150 millivolt en stel de frequentie in op 50 Hertz. Stel de bemonsteringssnelheid van de data-acquisitie-eenheid in op minder dan of gelijk aan 100.000 bemonsteringen per seconde per kanaal.

Gebruik de aangepaste data-acquisitiesoftware om de SBG- en sondelasermodulatiestroombreeksignalen gedurende ten minste 10 milliseconden op te nemen. Importeer de verworven gegevens in computationele software. Gebruik de kalibratiecurve om de gemeten waarden van de sondelasermodulatiestroombeek om te zetten in de waarden van de pomp-sondefrequentieafstemming.

Trek het gemiddelde ruisniveau af. Plot de SBG-metingen tegen de waarden van de pomp-sondefrequentieafstemming om het SBG-spectrum te genereren. Pas het spectrum aan met een Lorentziaanse curve met behulp van de amplitude, frequentiepositie en volledige breedte bij de helft van de hoogste punt van het spectrum als beginwaarden.

Bereken de Brillouin-verschuiving en de lijnbreedte van de frequentieposities van het maximum en de volledige breedte bij de helft van de maximum van de Lorentziaanse pas, respectievelijk. Gebruik waarden van herhaalde Lorentziaanse geschikte spectra om een overeenkomstig histogram te genereren. SBG-spectra van gedistilleerd water en lipidemulsie weefselfantoommonsters werden gegenereerd met behulp van deze methode met een ruimtelijke resolutie van ongeveer acht micrometer.

De watermonsters werden verkregen in 10 seconden en 10 milliseconden en de lipidemonsters werden verkregen in 10 seconden en 100 milliseconden. De gemiddelde Brillouin-verschuivingen bepaald uit de snel verkregen spectra waren 5,08 gigahertz voor water en 5,11 gigahertz voor het weefselfantoom. Deze waarden waren consistent met die berekend uit de spectra opgenomen over 10 seconden en met literatuurwaarden.

Er werden 200 opeenvolgende metingen uitgevoerd op elk monster en de standaardafwijkingen van de verdelingen van geschatte Brillouin-verschuivingen werden geëvalueerd. De standaardafwijkingen waren 8,5 megahertz en 33 megahertz voor de water- en weefselmonsters respectievelijk. Na het bekijken van deze video, zou u een goed begrip moeten hebben van hoe u een gestimuleerde Brillouin-verstrooiingsspectrometer kunt samenstellen en bedienen om snel gestimuleerde Brillouin-versterkingsspectra van water en weefs