Szybki spektrometr sub-GHz do analizy rozpraszania Brillouina

Ogólnym celem tego spektrometru jest pomiar sygnatur rozpraszania Brillouina w tkankach i biomateriałach. Widma rozpraszania Brillouina dostarczają bezkontaktowych i nieinwazyjnych informacji o właściwościach materiałów, takich jak podłużny moduł sprężystości. Metoda ta może pomóc w uzyskaniu odpowiedzi na kluczowe pytania z zakresu biomechaniki tkanek. Na przykład w przypadku tkanki rogówki możemy zmierzyć jej wytrzymałość w celu diagnostyki i leczenia keratokona.

Główną zaletą tej techniki jest możliwość przeprowadzenia analizy spektralnej przy niskiej mocy światła, co czyni ją bezpieczną do zastosowań in vivo, umożliwiając obrazowanie biologiczne. Rozpocznij od ustawienia kamery i światłowodu na stole optycznym. W tym układzie kamera EMCCD jest zamontowana na jednym końcu toru optycznego. Kamera powinna rejestrować obrazy i wyświetlać je na monitorze.

Około 1600 milimetrów przed kamerą. Należy umieścić kolimator światłowodowy na wysokości kamery. Podłącz kolimator do lasera jednomodowego podłużnie.

Należy użyć mocy lasera poniżej 0,1 milliwattów i sprawdzić osiowanie, przesuwając przysłonę wzdłuż pożądanej osi optycznej. Niniejszy schemat przedstawia ogólny widok konfiguracji na tym etapie. Następnie przed kamerą należy umieścić parę soczewek achromatycznych.

Ta dopasowana para soczewek achromatycznych ma ogniskową 30 mm. Teraz należy zacząć dodawać elementy dla etapu poziomego. Najpierw, na poziomym stole translacyjnym, umieść maskę poziomą w taki sposób, aby była ona obrazowana na kamerze przez soczewkę achromatyczną.

Stolik powinien poruszać się prostopadle do drogi wiązki. Monitoruj obraz na ekranie komputera, aby upewnić się, że krawędzie są ostre, tak jak na tym zdjęciu. Przejdź do przygotowań w celu umieszczenia soczewki kulistej 600 mm przed maską poziomą.

Najpierw przygotuj dwie przysłony, z których każda powinna być zamontowana na wsporniku i uchwycie, aby ułatwić wyrównanie wiązki; jedną przysłonę umieść pomiędzy planowaną pozycją soczewki a maską poziomą. Drugą przysłonę umieść za planowaną pozycją soczewki. Upewnij się, że wysokość przysłon pozwala na swobodne przejście wiązki przez obie z nich.

Po sprawdzeniu wyrównania należy przejść do pracy z zamontowaną na wsporniku soczewką sferyczną o ogniskowej 200 mm. Używając uchwytu do wspornika, należy umieścić soczewkę 600 mm przed poziomą maską, pomiędzy dwiema przysłonami, a następnie zabezpieczyć uchwyt. Poniżej znajduje się schemat układu po ustawieniu soczewki sferycznej S1.

Kolejnym elementem do dodania jest pierwsza z macierzy fazowych obrazowanych wirtualnie, czyli vipa S. Aby dodać vipa, należy umieścić na stole poziomowy stolik translacyjny. Około 200 milimetrów przed soczewką sferyczną ustawić stolik tak, aby poruszał się prostopadle do wiązki; do stolika przymocować uchwyt vipa zamontowany na pręcie i uchwycie do prętów. Następnie należy przygotować vipa, który ma zostać zamontowany.

Każdy vipa posiada szczelinę wlotową, która musi być odpowiednio zorientowana dla tego vipa. Umieść go w uchwycie vipa ze szczeliną skierowaną pionowo, a następnie dokonaj precyzyjnych korekt położenia mocowania vipa, tak aby wlot vipa znajdował się dokładnie w płaszczyźnie ogniskowej soczewki sferycznej.

Kontynuuj, przesuwając element VIPA poza wiązkę, aby kontynuować konfigurację. Następnie przygotuj się do umieszczenia drugiej soczewki sferycznej 200 milimetrów przed maską poziomą z przysłonami po obu stronach w celu wyrównania; zauważ, że na schemacie element VIPA 2 jest przesunięty, aby wskazać, że znajduje się poza tor wiązki. Zamontuj soczewkę sferyczną za pomocą trzpienia na stole translacyjnym pomiędzy przysłonami.

Przed kontynuacją ustaw stół translacyjny tak, aby poruszał się wzdłuż drogi optycznej. Sprawdź, czy odbicie wsteczne od soczewki przechodzi bez przeszkód przez przysłonę. Sprawdź również, czy wiązka wychodząca przechodzi bez przeszkód przez przysłonę po przeciwnej stronie soczewki.

Następnie przesuń vipa tak, aby jego wejście SL ponownie znalazło się na drodze wiązki. Zrób to, regulując pozycję stołu translacyjnego, do którego jest on przymocowany. Gdy światło wpada do vipa, obserwuj pionowe linie obrazu z kamery na monitorze komputera.

Następnie należy dostosować położenie drugiej soczewki sferycznej, obserwując linie na monitorze. Precyzyjnie ustaw stół translacyjny, aby wyostrzyć linie, i zatrzymaj się, gdy linie zostaną ustawione w ostrości. Następnie przejdź do pracy z uchwytem vipa.

Aby dostroić widmo, należy wykorzystać stopień swobody translacji poziomej, aby dopasować pozycję wejściową wiązki do szczeliny wejściowej. Obserwuj reakcję obrazu na monitorze komputera podczas przesuwania szczeliny wejściowej. Dodatkowo należy wykorzystać stopień swobody nachylenia poziomego, aby dostroić kąt wejściowy wiązki do szczeliny.

Ponownie monitoruj obraz na ekranie komputera, aby uzyskać informację zwrotną dotyczącą regulacji nachylenia. W tym momencie etap poziomy spektrometru jest ukończony. Aby przygotować etap pionowy, wysuń vipa poza wiązkę za pomocą stopnia translacyjnego.

Następnie, w pozycji 200 milimetrów przed soczewką sferyczną, należy umieścić maskę pionową zamontowaną na pionowym stole translacyjnym, aby umożliwić przesunięcie maski poza tor wiązki. Należy upewnić się, że obraz maski pionowej jest ostry na kamerze CCD.

Kolejnym elementem będzie soczewka cylindryczna. 600 milimetrów przed maską pionową. Użyj uchwytu do słupków, aby umieścić soczewkę o ogniskowej 200 milimetrów pomiędzy dwiema przysłonami.

Drugi element VIPA zostanie umieszczony na etapie translacji pionowej 200 milimetrów przed soczewką cylindryczną. Zamocuj uchwyt VIPA na etapie translacji pionowej w taki sposób, aby umożliwić przesunięcie VIPA poza ścieżkę wiązki. Zamontuj VIPA do etapu za pomocą słupka i uchwytu do słupków, dbając o precyzyjne poziome ustawienie szczeliny wejściowej.

Skoryguj pozycję vipa, aby umieścić go dokładnie w płaszczyźnie ogniskowej soczewki cylindrycznej. Następnie usuń go z drogi wiązki. Ostatnim elementem jest druga soczewka cylindryczna.

Umieszczono 200 mm przed maską pionową. Dla tej soczewki ustaw montaż stolika translacyjnego zorientowany wzdłuż drogi optycznej i wyrównaj drugą soczewkę cylindryczną na stoliku. Powróć do ostatnio umieszczonego vipa vipa i przesuń go z powrotem na drogę wiązki.

Wykorzystaj stopień swobody translacji pionowej, aby dostroić pozycję wejściową wiązki w al on. Obserwuj efekt strojenia na obrazie z kamery na monitorze komputera. Następnie dostosuj stopień swobody nachylenia pionowego, aby dostroić kąt wejściowy wiązki.

Obserwuj monitor komputera, aby uzyskać informacje zwrotne o efektach wprowadzonych korekt. Teraz nadszedł czas na połączenie dwóch stopni systemu. Zrób to, przesuwając VIPA dwa do pierwszego, zamontowanego w torze optycznym.

Dostrój vipa S, obserwując kropki rozmieszczone w poziomie i pionie. Zatrzymaj regulację monitora komputerowego, gdy kropki przedstawiające sygnaturę widmową lasera jednoczęstotliwościowego będą w ostrości. Wykonaj zdjęcie sygnatury za pomocą oprogramowania kamery w tym programie.

Kliknij prawym przyciskiem myszy na obrazie i wybierz opcję wykresu liniowego. Przeciągnij kursor ukośnie przez obraz, aby wygenerować wykres liniowy. Następnie zwolnij kursor, aby wyświetlić wykres, który posłuży do określenia rozdzielczości (finesse); na tym przykładowym wykresie zaznaczono dwa wymagane pomiary.

Najpierw zmierz przekątną odległość między dwiema kropkami, czyli wolny zakres widmowy. Następnie zmierz pełną szerokość połówkową (FWHM). Podziel wolny zakres widmowy przez pełną szerokość połówkową i kontynuuj, jeśli stosunek ten jest większy niż 30.

Powróć do stanowiska badawczego i otocz spektrometr stelażem skrzyni obciągniętym tkaniną zaciemniającą, zaprezentowanym tutaj na innym przykładzie; przed kontynuacją upewnij się, że maski oraz vipa są łatwo dostępne. Na koniec podłącz światłowód do standardowej sondy optycznej. W tym przypadku zostanie użyty mikroskop konfokalny.

Do zademonstrowania etapów pomiaru przesunięcia Briona użyto układu bez osłony. Najpierw należy wybrać jedną z masek do regulacji. W tym przypadku należy rozpocząć zamykanie maski poziomej za pomocą mikrometru.

Obserwuj sygnaturę lasera na monitorze komputera. Celem jest zablokowanie sygnatury lasera widocznej w narożnikach. Użyj stołu translacyjnego, aby wycentrować maskę w poziomie, co pomoże w zablokowaniu sygnatury.

Nadal obserwuj zachowanie sygnatury lasera na monitorze. Powtarzaj czynności zamykania i przesuwania maski, aż sygnatura zostanie zablokowana. Następnie wykonaj to samo z maską pionową.

Po załadowaniu próbki otwórz maskę etapu pionowego, aby rozpocząć optymalizację przepustowości tego etapu. Przejdź do etapu pionowego vipa vipa jeden, zmieniając pozycję nachylenia vipa w zakresie kątów wejściowych do AL, skanując rzędy spektrometru i zatrzymując się na rzędzie z najostrzejszym sygnałem. Ponownie zamknij maskę, aż sygnał laserowy zniknie.

Powtórz proces optymalizacji z maską poziomą i vipa przed przystąpieniem do pomiarów. Poniżej przedstawiono widma Briona zmierzone dla metanolu, etanolu i polistyrenu. Na tych wykresach dane pomiarowe zaznaczono kolorem niebieskim.

Dopasowanie krzywej Liana zaznaczono na czerwono. Wykorzystane VIPA mają grubość 5 mm, co daje wolny zakres widmowy wynoszący około 20 GHz. Czas całkowania wynosił 100 ms.

Wykonano 100 pomiarów, a następnie wyciągnięto z nich średnią. Przesunięcia Briona są zgodne z wcześniej opublikowanymi wynikami. Ten histogram przedstawia przesunięcia Briona uzyskane w 250 sekwencyjnych pomiarach metanolu.

Dane pomogły ustalić, czy ustawienie spektrometru jest optymalne. Dobrze ustawiony spektrometr, przy mocy światła padającego na próbkę wynoszącej 5 mW i czasie całkowania 100 ms, będzie wykazywał odchylenie standardowe wynoszące około 10 MHz. Podczas wykonywania tej procedury należy pamiętać o zmianie ustawień kamery w przypadku użycia światła laserowego lub światła rozproszonego.

W przeciwnym razie kamera E-M-C-C-D ulegnie nasyceniu i z czasem ulegnie degradacji. Należy pamiętać, że praca z laserami może być niezwykle niebezpieczna i należy przestrzegać środków ostrożności, takich jak zakaz patrzenia bezpośrednio w wiązkę lasera. Podczas wykonywania tej procedury należy zawsze nosić okulary ochronne oraz przeprowadzać ustawianie poniżej poziomu oczu.