Name: Szybki spektrometr rozpraszania Brillouina stymulowany falami ciągłymi do analizy materiałów (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-09-22T12:30:00.000+00:00
Duration: 7 min 55 s
Description: Poznaj konstrukcję szybkiego spektrometru rozpraszania Brillouina stymulowanego falami ciągłymi do analizy materiałów biologicznych. System wykorzystuje lasery diodowe i filtr pary atomowej, osiągając stukrotnie szybszą akwizycję danych przy wysokiej rozdzielczości.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

IR jest wdzięczny Fundacji Azrieli za przyznanie stypendium doktoranckiego.

<ol><li>Koski, K. J., Akhenblit, P., McKiernan, K., Yarger, J. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Non-invasive+determination+of+the+complete+elastic+moduli+of+spider+silks%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Mater%22%5BJournal%5D)">Non-invasive determination of the complete elastic moduli of spider silks.</a> Nat. Mater. 12 (3), 262-267 (2013).</li>
<li>Palombo, F., Madami, M., Stone, N., Fioretto, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mechanical+mapping+with+chemical+specificity+by+confocal+Brillouin+and+Raman+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Analyst%22%5BJournal%5D)">Mechanical mapping with chemical specificity by confocal Brillouin and Raman microscopy.</a> Analyst. 139 (4), 729-733 (2014).</li>
<li>Scarcelli, G., Yun, S. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+vivo+Brillouin+optical+microscopy+of+the+human+eye%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Exp%22%5BJournal%5D)">In vivo Brillouin optical microscopy of the human eye.</a> Opt. Exp. 20 (8), 9197-9202 (2012).</li>
<li>Scarcelli, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Noncontact+three-dimensional+mapping+of+intracellular+hydromechanical+properties+by+Brillouin+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Methods%22%5BJournal%5D)">Noncontact three-dimensional mapping of intracellular hydromechanical properties by Brillouin microscopy.</a> Nat. Methods. 12 (12), 1132-1134 (2015).</li>
<li>Traverso, A. J., Thompson, J. V., Steelman, Z. A., Meng, Z., Scully, M. O., Yakovlev, V. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dual+Raman-Brillouin+microscope+for+chemical+and+mechanical+characterization+and+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Anal.+Chem%22%5BJournal%5D)">Dual Raman-Brillouin microscope for chemical and mechanical characterization and imaging.</a> Anal. Chem. 87 (15), 7519-7523 (2015).</li>
<li>Antonacci, G., Foreman, M. R., Paterson, C., Török, P. <a target="_blank" href="http://mrforeman.com/downloads/pubs/pub023.pdf">Spectral broadening in Brillouin imaging.</a> Appl. Phys. Lett. 103 (22), 221105(2013).</li>
<li>Antonacci, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quantification+of+plaque+stiffness+by+Brillouin+microscopy+in+experimental+thin+cap+fibroatheroma%5BTitle%5D)+AND+%22J.+R.+Soc.+Interface%22%5BJournal%5D)">Quantification of plaque stiffness by Brillouin microscopy in experimental thin cap fibroatheroma.</a> J. R. Soc. Interface. 12 (112), 20150483(2015).</li>
<li>Grubbs, W. T., MacPhail, R. A. <a target="_blank" href="http://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.1144743">High resolution stimulated Brillouin gain spectrometer.</a> Rev. Sci. Instrum. 65 (1), 34-41 (1994).</li>
<li>Ballmann, C. W., Thompson, J. V., Traverso, A. J., Meng, Z., Scully, M. O., Yakovlev, V. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Stimulated+Brillouin+scattering+microscopic+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Sci+Rep%22%5BJournal%5D)">Stimulated Brillouin scattering microscopic imaging.</a> Sci Rep. 5, 18139(2015).</li>
<li>Remer, I., Bilenca, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Background-free+Brillouin+spectroscopy+in+scattering+media+at+780+nm+via+stimulated+Brillouin+scattering%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Lett%22%5BJournal%5D)">Background-free Brillouin spectroscopy in scattering media at 780 nm via stimulated Brillouin scattering.</a> Opt. Lett. 41 (5), 926-929 (2016).</li>
<li>Remer, I., Bilenca, A. <a target="_blank" href="http://adsabs.harvard.edu/abs/2016APLP....1f1301R">High-speed stimulated Brillouin scattering spectroscopy at 780 nm.</a> APL Photonics. 1 (6), 061301(2016).</li>
<li>She, C. Y., Moosmüller, H., Herring, G. C. <a target="_blank" href="http://link.springer.com/article/10.1007/BF00686451">Coherent light scattering spectroscopy for supersonic flow measurements.</a> Appl. Phys. B-Lasers O. 46 (4), 283-297 (1988).</li>
<li>Fiore, A., Zhang, j, Peng Shao,, Yun, S. H., Scarcelli, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-extinction+virtually+imaged+phased+array-based+Brillouin+spectroscopy+of+turbid+biological+media%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">High-extinction virtually imaged phased array-based Brillouin spectroscopy of turbid biological media.</a> Appl. Phys. Lett. 108 (20), 203701(2016).</li>
<li>Taking a Measurement with Your Computer. , Available from:
 <a target="_blank" href="http://www.ni.com/webcast/1673/en">http://www.ni.com/webcast/1673/en</a> (2014).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

System, pokazany na rysunku 1, został zaprojektowany tak, aby można go było zbudować na płytce stykowej o wymiarach 18 x 24 cale, którą można zamontować pionowo na stole optycznym, ułatwiając umieszczanie próbek o wodnistych kształtach. W związku z tym ważne jest, aby mocno dokręcić wszystkie elementy optyczne i mechaniczne oraz upewnić się, że wiązki pompy i sondy są współliniowe i koncentryczne z różnymi elementami przed oświetleniem próbki w geometrii pozaosiowej.
Trudności...

W ostatnich latach spontaniczna spektroskopia Brillouina została uznana za wartościową metodę analizy mechanicznej materiałów miękkich, takich jak ciecze, tkanki rzeczywiste, fantomy tkankowe oraz komórki biologiczne1,2,3,4,5,6,7. W tym podejściu pojedynczy laser oświetla próbkę, a światło rozproszone nieelastycznie przez spontaniczne termiczne fale akustyczne w ośrodku jest zbierane przez spektrometr, co dostarcza użytecznych informacji o właściwościach wiskoelastycznych próbki. Spontaniczne widmo Brillouina obejmuje dwa piki Brillouina przy rezonansach akustycznych Stokesa i anty-Stokesa materiału oraz pik Rayleigha przy częstotliwości oświetlającego lasera (wynikający z rozproszonego elastycznie światła). W geometrii wstecznego rozpraszania Brillouina częstotliwości Brillouina są przesunięte o kilka GHz względem częstotliwości lasera i mają szerokość spektralną rzędu setek MHz.
Choć skanujące spektrometry Fabry-Perota były systemami pierwszego wyboru do pozyskiwania spontanicznych widm Brillouina w materii miękkiej1,2, niedawne postępy technologiczne w spektrometrach z wirtualnie obrazowaną macierzą fazową (VIPA) umożliwiły znacznie szybsze (poniżej sekundy) pomiary Brillouina z odpowiednią rozdzielczością spektralną (poniżej GHz)3,4,5,6,7. W niniejszym protokole przedstawiamy konstrukcję innego, szybkiego, o wysokiej rozdzielczości spektralnej i dokładności spektrometru Brillouina, opartego na detekcji światła stymulowanego rozpraszania Brillouina z falą ciągłą (CW-SBS) z próbek nieturbidalnych i turbidalnych w geometrii rozproszenia niemal wstecznego.
W spektroskopii CW-SBS wykorzystuje się lasery pompy i sondy z falą ciągłą (CW), które po niewielkim rozstrojeniu częstotliwości nakładają się w próbce, pobudzając fale akustyczne. Gdy różnica częstotliwości między wiązką pompy a sondą odpowiada określonemu rezonansowi akustycznemu materiału, następuje wzmocnienie lub osłabienie sygnału sondy dzięki procesom stymulowanego wzmocnienia lub straty Brillouina (SBG/SBL); w przeciwnym razie nie dochodzi do (de)wzmocnienia SBS8,9,10,1. W związku z tym widmo SBG (SBL) można uzyskać poprzez skanowanie różnicy częstotliwości między laserami w zakresie rezonansów Brillouina materiału i wykrywanie wzrostu (spadku), czyli wzmocnienia (straty) intensywności sondy wynikającego z SBS. W przeciwieństwie do spontanicznego rozpraszania Brillouina, tło rozpraszania sprężystego jest w SBS naturalnie nieobecne, co zapewnia doskonały kontrast Brillouina zarówno w próbkach mętnych, jak i niemętnych, bez potrzeby stosowania filtrów odcinających rozpraszanie Rayleigha, które są wymagane w spektrometrach VIPA10,1,13.
Głównymi elementami budowy spektrometru CW-SBS są lasery pompujący i badawczy oraz detektor wzmocnienia/straty stymulowanego rozpraszania Brillouina. Dla wysokorozdzielczej i szybkiej spektroskopii CW-SBS lasery muszą być jednoczęstotliwościowe (szerokość linii &lt; 10 MHz) z odpowiednio szerokim zakresem strojenia długości fali (20 – 30 GHz) i szybkością skanowania (&gt; 20 GHz/s), długoterminową stabilnością częstotliwości (&lt; 50 MHz/h) oraz niskim szumem intensywności. Ponadto wymagane są liniowo spolaryzowane i ograniczone dyfrakcyjnie wiązki laserowe o mocy od kilkuset (kilkudziesięciu) mW na próbce dla wiązki pompującej (badawczej). Wreszcie, detektor wzmocnienia/straty stymulowanego rozpraszania Brillouina powinien być zaprojektowany tak, aby niezawodnie wykrywać słabe poziomy wstecznego wzmocnienia/straty stymulowanego rozpraszania Brillouina (SBG/SBL) (10-5 – 10-6) w materii miękkiej. Aby spełnić te wymagania, wybraliśmy diody laserowe z rozproszoną sprzężeniem zwrotnym (DFB) sprzęgnięte z włóknami utrzymującymi polaryzację wraz z detektorem wzmocnienia/straty stymulowanego rozpraszania Brillouina łączącym ultra-wąskopasmowy filtr notch oparty na parze atomowej oraz wysokoczęstotliwościowy jednokanałowy wzmacniacz lock-in, jak przedstawiono na Rysunku 1. Ten schemat detekcji podwaja intensywność sygnału SBG, jednocześnie znacząco redukując szum intensywności wiązki badawczej, w której zawarty jest pożądany sygnał SBG11. Należy zauważyć, że rolą filtra notch z parą atomową zastosowanego w naszym spektrometrze SBS jest znaczne ograniczenie detekcji niepożądanych odbić rozproszonych wiązki pompującej, a nie zmniejszenie tła rozpraszania elastycznego, jak w spektrometrach VIPA, które wykrywają zarówno spontaniczne rozpraszanie Rayleigha, jak i Brillouina. Stosując szczegółowy protokół opisany poniżej, można skonstruować spektrometr CW-SBS zdolny do pozyskiwania widm transmisyjnych wody i fantomów tkankowych z poziomami SBG tak niskimi jak 10-6 przy precyzji pomiaru przesunięcia Brillouina &lt; 35 MHz w czasie 10 ms lub krótszym.
<img alt="Schemat spektroskopii laserowej z oddziaływaniem atomowym 85Rb; przedstawiający dzielniki wiązki, AOM oraz ścieżki optyczne." src="/files/ftp_upload/55527/55527fig1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rysunek 1"> 
Rycina 1: Spektrometr stymulowanego rozpraszania Brillouina w trybie ciągłym (CW-SBS). Dwa diodowe lasery (DL) pracujące w trybie ciągłym (pompowy i sondujący), o częstotliwościach odstrojonych w okolicy przesunięcia Brillouina próbki, są sprzęgnięte z jednordzikowymi światłowodami utrzymującymi polaryzację za pomocą kolimatorów C1 oraz C2odpowiednio. Różnicę częstotliwości między wiązką pompową a badawczą mierzy się poprzez detekcję częstotliwości taktowania między wiązkami wydzielonymi z laserów pompowego i badawczego przy użyciu zestawu rozdzielaczy światłowodowych (FS), szybkiego fotodetektora (FPD) oraz licznika częstotliwości (FC). Wiązka badawcza o polaryzacji s (jasnoczerwona), rozszerzona za pomocą keplerowskiego rozszerzacza wiązki (L1 oraz L2), jest polaryzowane kołowo prawoskrętnie przez płytkę ćwierćfalową (λ1/4) i skupione na próbce (S) przez soczewkę achromatyczną (L3). Aby zapewnić skuteczną interakcję SBS i izolację optyczną, wiązka pompowania (ciemnoczerwona), rozszerzona za pomocą expandera wiązki Keplera (L5 oraz L6), jest najpierw polaryzowany p za pomocą płytki półfalowej λ2/4), następnie przechodzi przez polaryzacyjny dzielnik wiązki (PBS), a na koniec zostaje kołowo spolaryzowany lewoskrętnie przez płytkę ćwierćfalową (λ2/4) a następnie skupiono obraz na próbce za pomocą soczewki achromatycznej (L4; taka sama jak L3). Należy zauważyć, że wiązki pompowania i sondowania niemal przeciwbieżnie rozchodzą się w próbce oraz że zastosowano polaryzator z orientacją S (P), aby zapobiec dostawaniu się polaryzowanej w płaszczyźnie P wiązki pompowania (wychodzącej z λ1/4) przed wejściem lasera badawczego. W przypadku detekcji synchronicznej wiązka pompowania jest modulowana sinusoidalnie z częstotliwością fm za pomocą modulatora akustyczno-optycznego (AOM). Sygnał SBG, przejawiający się jako zmienność natężenia o częstotliwości fm (patrz wstawka), jest demodulowany za pomocą wzmacniacza lock-in (LIA) po detekcji przez fotodiodę (PD) o dużej powierzchni. W celu znaczącej eliminacji rozproszonych odbić pompy w fotodiodzie zastosowano wąskopasmowy filtr Bragga (BF) oraz atomowy filtr notch (85RB) wokół długości fali pompy są stosowane wraz z przysłoną blokującą światło (I). Dane są rejestrowane przez kartę akwizycji danych (DAQ) podłączoną do komputera osobistego (PC) w celu dalszej analizy widma Brillouina. Wszystkie lustra składające (M1-M6) służą do zamocowania spektrometru na płycie optycznej (breadboard) o wymiarach 18''×24'', która jest zamontowana pionowo na stole optycznym w celu ułatwienia umieszczania próbek wodnych. <a href="http://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/55527/55527fig1large.jpg" target="_blank">Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>

<table><tbody><tr><td>Głowica lasera diodowego sondy i kontroler</td><td>Toptica Photonics</td><td>SYST DL-100-DFB</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>Laser diodowy ze wzmocnieniem pompy i kontroler</td><td>Toptica Photonics</td><td>SYST TA-pro-DFB</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>stacja dokująca światłowodowa FC/APC</td><td>Toptica Photonics</td><td>FiberDock&nbsp;</td><td>Ilość: 3</td></tr><tr><td>Polaryzacja jednomodowa dużej mocy utrzymująca patchcord światłowodowy FC / APC</td><td>Toptica Photonics</td><td>OE-000796</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>Kolimacja światłowodowa FC / APC z regulowaną optyką kolimacyjną</td><td>Toptica Photonics</td><td>FiberOut</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>Stały kolimator światłowodowy FC / APC</td><td>OZ Optics</td><td>HPUCO-33A-780-P-6.1-AS Ilość</td><td>: 1</td></tr><tr><td>Rozdzielacz światłowodowy utrzymujący polaryzację jednomodową 33:67</td><td>OZ Optyka</td><td>FOBS-12P-111-4/125-PPP-780-67/33-40-3A3A3A-3-1</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>Rozdzielacz światłowodowy jednomodowy utrzymujący polaryzację 50:50</td><td>OZ Optyka</td><td>FOBS-12P-111-4/125-PPP-780-50/50-40-3S3A3A-3-1</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>f=25 mm, &Oslash; 1/2" Achromatyczny dublet, Mocowanie z gwintem SM05, ARC: 650-1050 nm</td><td>Thorlabs</td><td>AC127-025-B-ML</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>f=30 mm, &Oslash; 1" Achromatyczny dublet, mocowanie z gwintem SM1, ARC: 650-1050 nm</td><td>Thorlabs</td><td>AC254-30-B-ML</td><td>Ilość: 2</td></tr><tr><td>f=50 mm, &Oslash; 1" Achromatyczny dublet, Mocowanie z gwintem SM1, ARC: 650-1050 nm</td><td>Thorlabs</td><td>AC254-50-B-ML</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>f=100 mm, &Oslash; 1" Achromatyczny dublet, Mocowanie z gwintem SM1, ARC: 650-1050 nm</td><td>Thorlabs</td><td> AC254-100-B-ML</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>f=200 mm, &Oslash; 1" Achromatyczny dublet, Mocowanie z gwintem SM1, ARC: 650-1050 nm</td><td>Thorlabs</td><td> AC254-200-B-ML</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>&Oslash; 1/2" Szerokopasmowe lustro dielektryczne, 750-1100 nm</td><td>Thorlabs</td><td> BB05-E03</td><td>Ilość: 4</td></tr> <tr><td>i Oslash; 1 "Szerokopasmowe zwierciadło dielektryczne, 750-1100 nm</td><td>Thorlabs</td><td> BB1-E03</td><td>Ilość: 2</td></tr><tr><td>1" Polaryzacyjny sześcian rozdzielający wiązkę, 780 nm</td><td>Thorlabs</td><td> PBS25-780</td><td>Ilość: 1</td></tr> <tr><td>i Oslash; Polaryzator liniowy 1" z oknami ochronnymi N-BK7, 600-1100 nm</td><td>Thorlabs</td><td> LPNIRE100-B</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>Interferometr ścinający z płytą ścinaną o średnicy wiązki 1-3 mm</td><td>Thorlabs</td><td>SI035</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>6-osiowy kinematyczny uchwyt optyczny z blokadą</td><td>Thorlabs</td><td> K6XS</td><td>Ilość: 4</td></tr><tr><td>Kompaktowa platforma pięcioosiowa</td><td>Thorlabs</td><td> PY005</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>Adapter do montażu na cokole do platformy 5-osiowej</td><td>Thorlabs</td><td> PY005A2</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>Polaris low drift & Oslash; Mocowanie lustra kinematycznego 1/2", 3 regulatory</td><td>Thorlabs</td><td> POLARIS-K05</td><td>Ilość: 4</td></tr><tr><td>Mocowanie obiektywu do &Oslash; Optyka 1"</td><td>Thorlabs</td><td> LMR1</td><td>Ilość: 5</td></tr><tr><td>Adapter z zewnętrznymi gwintami SM1 i wewnętrznymi gwintami SM05, grubość 0,40"</td><td>Thorlabs</td><td> SM1A6T</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>Montaż obrotowy do &Oslash; Optyka 1</td>" <td>Thorlabs</td><td> RSP1</td><td>Ilość: 2</td></tr><tr><td>1" Mocowanie pryzmatyczne kinematyczne</td><td>Thorlabs</td><td> KM100PM</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>Przysłona irysowa SM1 z podziałką aktywowana pierścieniem</td><td>Thorlabs</td><td> SM1D12C</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>Przysłona tęczówki montowana na słupku, &Oslash; Maksymalna apertura 12,0 mm</td><td>Thorlabs</td><td>ID12</td><td>Ilość: 2</td></tr><tr><td>1/2 "stolik translacyjny ze standardowym mikrometrem</td><td>Thorlabs</td><td>MT1</td><td>Ilość: 3</td></tr> <tr><td>i Oslash; 1 "Słupek cokołu, 8-32 krany, L = 1"</td> <td>Thorlabs</td><td>RS1P8E</td><td>Ilość: 1</td></tr> <tr><td>i Oslash; 1 "Słupek cokołu, 8-32 krany, L = 1,5"</td> <td>Thorlabs</td><td>RS1.5P8E</td><td>Ilość: 2</td></tr> <tr><td>i Oslash; 1" Słupek cokołu, 8-32 krany, L = 2"</td> <td>Thorlabs</td><td>RS2P8E</td><td>Ilość: 4</td></tr><tr><td>&Oslash; 1 "Słupek cokołu, 8-32 krany, L = 2,5"</td> <td>Thorlabs</td><td>RS2.5P8E</td><td>Ilość: 1</td></tr> <tr><td>i Oslash; 1" Słupek cokołu, 8-32 krany, L = 3"</td> <td>Thorlabs</td><td>RS3P8E</td><td>Ilość: 4</td></tr><tr><td>Krótki widelec zaciskowy</td><td>Thorlabs</td><td>CF125</td><td>Ilość: 12</td></tr><tr><td>Podstawa montażowa</td><td>Thorlabs</td><td>BA1S</td><td>Ilość: 8</td></tr><tr><td>Duży zacisk V-Clamp z ramieniem zaciskowym PM4, długość 2,5", Imperial</td><td>Thorlabs</td><td>VC3C</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>&Oslash; 1/2" Uchwyt na słupek, śruba skrzydełkowa z blokadą sześciokątną, L = 1"</td><td>Thorlabs</td><td>PH1</td><td>Ilość: 2</td></tr><tr><td>&Oslash; 1/2" Uchwyt na słupek, śruba skrzydełkowa z blokadą sześciokątną, L = 1,5</td>" <td>Thorlabs</td><td>PH1,5</td><td>Ilość: 2</td></tr><tr><td>&Oslash; 1/2" Uchwyt na słupek, śruba skrzydełkowa z blokadą sześciokątną, L = 2"</td><td>Thorlabs</td><td>PH2</td><td>Ilość: 6</td></tr><tr><td>&Oslash; 1/2" Słupek optyczny, SS, śruba dociskowa 8-32, kran 1/4"-20, L = 1"</td><td>Thorlabs</td><td>TR1</td><td>Ilość: 2</td></tr><tr><td>&Oslash; Słupek optyczny 1/2", SS, śruba dociskowa 8-32, gwintownik 1/4"-20, L = 1,5"</td> <td>Thorlabs</td><td>TR1,5</td><td>Ilość: 2</td></tr><tr><td>&Oslash; 1/2" Słupek optyczny, SS, śruba dociskowa 8-32, kran 1/4"-20, L = 2"</td><td>Thorlabs</td><td>TR2</td><td>Ilość: 6</td></tr><tr><td>Aluminiowa płytka stykowa 18" x 24" x 1/2", 1/4"-20 kranów</td><td>Thorlabs</td><td>MB1824</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>12" Wspornik pionowy do płytek stykowych, 1/4"-20 otworów, 1 sztuka</td><td>Thorlabs</td><td>VB01</td><td>Ilość: 2</td></tr><tr><td>Fotodioda Si, 40 ns Czas narastania, 400 - 1100 nm, obszar aktywny 10 mm x 10 mm</td><td>Thorlabs</td><td> FDS1010</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>Waveplate, zero rzędu, 1/4 fali 780nm</td><td>Optyka wieżowa</td><td>Z-17.5-A-.250-B-780</td><td>Ilość: 2</td></tr><tr><td>Waveplate, rząd zerowy, 1/2 fali 780nm</td><td>Optyka wieży</td><td>Z-17.5-A-.500-B-780</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>Ultraszybki fotodetektor sprzężony z włóknem</td><td>Newport</td><td>1434</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>Gimbal montaż optyczny Newport</td><td></td><td>U100-G2H ULTIMA</td><td>Ilość: 3</td></tr><tr><td>stoliki liniowe o zasięgu 25 mm</td><td>Newport</td><td>&nbsp; M-423&nbsp;</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>Zamykany mikrometr różnicowy, gruby 25 mm, drobny 0,2 mm, obciążenie 11 funtów</td><td>Newport</td><td>&nbsp; DM-25L</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>XYZ Stopień liniowy silnika</td><td>Stosowane oprzyrządowanie naukowe</td><td>LS-50</td><td>Ilość: 3-stopniowy</td></tr><tr><td>kontroler</td><td>Zastosowane oprzyrządowanie naukowe</td><td>MS-2000</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>Uchwyt na próbkę</td><td>Domowa</td> ilość <td>niestandardowa</td><td>: 1</td></tr><tr><td>Cela spektroskopii topionej krzemionki rubidu 85 z płaskimi oknami pokrytymi AR, długość 150 mm, średnica 25 mm</td><td>Fotonika Technologie</td><td>SC-RB85-25x150-Q-AR</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>Podkładka termoprzewodząca 300 mm x 300 mm</td><td>ARKUSZ BERGQUIST</td><td>Q3AC 300MMX300MM</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>Taśma grzewcza 0,15 mm x 2,5&nbsp; mm x 5 m, 4,29&nbsp; W/m</td><td>KANTHAL</td><td>8908271</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>Taśma politetrafluoroetylenowa 1/2'' x 12 m</td><td>Taśma teflonowa</td><td>R.G.D</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>Odblaskowy filtr pasmowo-przepustowy Bragga</td><td>OptiGrate</td><td>SPC-780</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>Modulator optyczny aousto o wysokiej częstotliwości</td><td>Gooch i Housego</td><td>15210</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>modulator optyczny Aousto Sterownik RF, częstotliwość: 210 MHz&nbsp;</td><td>Gooch i Housego</td><td>MHP210-1ADS2-A1</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>wzmacniacz blokujący o wysokiej częstotliwości&nbsp;</td><td>Stanford Research Systems</td><td>SR844</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>Licznik częstotliwości</td><td>Matryca fazowa</td><td>EIP 578B</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>Generator funkcji arbitralnych</td><td>Tektronix</td><td>AFG2021</td><td>Ilość: 2</td></tr><tr><td>Moduł akwizycji danych (DAQ)</td><td>National Instruments</td><td>NI USB-6212 BNC</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>Oprogramowanie do akwizycji danych (DAQ)&nbsp;</td><td>National Instruments</td><td>LabVIEW 2014</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>Regulowany zasilacz DC&nbsp; podwójny 0-30V 5A</td><td>MEILI</td><td>MCH-305D-ii</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>Termopara</td><td>MRC</td><td>TP-01</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>Termometr</td><td>MRC</td><td>TM-5007</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>Koncentryczny filtr dolnoprzepustowy DC-1,9 MHz</td><td>Mini obwody</td><td>BLP-1,9</td> + <td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>20% emulsja lipidowa</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>I141-100ml</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>okrągła szklanka o średnicy 25 mm gruba:1 #</td><td>Menzel Glaser</td><td>150285</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>Oprogramowanie obliczeniowe&nbsp;</td><td>MathWorks</td><td>MATLAB 2015a</td><td></td></tr></tbody></table>

szybki spektrometr rozpraszania brillouina stymulowany falami ciągłymi do analizy materiałów

High-speed Continuous-wave Stimulated Brillouin Scattering Spectrometer for Material Analysis

Ostatnie lata przyniosły znaczny wzrost wykorzystania spontanicznych spektrometrów Brillouina do bezkontaktowej analizy miękkiej materii, takiej jak roztwory wodne i biomateriały, z krótkim czasem akwizycji. W tym miejscu omawiamy montaż i działanie spektrometru Brillouina, który wykorzystuje wymuszone rozpraszanie Brillouina (SBS) do pomiaru widm wymuszonego przyrostu Brillouina (SBG) próbek tkankopodobnych na bazie emulsji wodnej i lipidowej w trybie transmisji z rozdzielczością spektralną <10 MHz i precyzją pomiaru przesunięcia Brillouina <35 MHz przy <100 ms. Spektrometr składa się z dwóch prawie przeciwbieżnie rozchodzących się laserów o wąskiej szerokości linii fali ciągłej (CW) o długości fali 780 nm, których odstrojenie częstotliwości jest skanowane przez materiał przesunięcia Brillouina. Dzięki zastosowaniu ultrawąskopasmowego filtra parowego z gorącym rubidem-85 i detektora czułego na fazę, stosunek sygnału do szumu sygnału SBG jest znacznie zwiększony w porównaniu z istniejącymi spektrometrami CW-SBS. To ulepszenie umożliwia pomiar widm SBG z nawet 100-krotnie szybszym czasem akwizycji, ułatwiając w ten sposób wysoką rozdzielczość spektralną i precyzyjną analizę Brillouina miękkich materiałów z dużą prędkością.

Ryciny 2b i 3b przedstawiają typowe punktowe widma SBG próbek wody destylowanej oraz fantomów tkankowych w postaci emulsji lipidowej (z 2,25 zdarzeniami rozproszenia i współczynnikiem tłumienia 45 cm-1) zmierzone odpowiednio w czasie 10 ms i 10 ms. Dla porównania zmierzono widma SBG w czasie 10 s, co przedstawiono na Rycina 2a i 3a. W pomiarach tych komórka z oparami rubidu-85 była podgrzana do 90 °C w celu osł...

Opisujemy konstrukcję spektrometru CW-SBS do szybkiego rozpraszania Brillouiny stymulowanego falami ciągłymi. Spektrometr wykorzystuje lasery diodowe o pojedynczej częstotliwości i atomowy filtr wycinający do pozyskiwania widm transmisyjnych mętnych/niemętnych próbek o wysokiej rozdzielczości spektralnej przy prędkościach do 100 razy większych niż w przypadku istniejących spektrometrów CW-SBS. To ulepszenie umożliwia szybką analizę materiału Brillouina.

Szybki spektrometr rozpraszania Brillouina stymulowany falami ciągłymi do analizy materiałów

Recent years have witnessed a significant increase in the use of spontaneous Brillouin spectrometers for non-contact analysis of soft matter, such as ...

Celem tego eksperymentu jest skonstruowanie i obsługa spektrometru rozpraszania Brillouina stymulowanego falami ciągłymi w celu uzyskania stymulowanych transmisją widm Brillouina mętnych i niemętnych próbek o wysokiej rozdzielczości i prędkości spektrometru. Metoda ta może przyczynić się do rozwoju wykorzystania spektroskopii i obrazowania Brillouina do badania mechaniki biomateriałów, takich jak komórki i tkanki. Główną zaletą tej techniki jest to, że może zapewnić szybkie pozyskiwanie widm Brillouina mętnej i niemętnej materii.Aby rozpocząć eksperyment, sprawdź, czy elementy spektrometru CW-SBS są bezpiecznie zamontowane na płytce optycznej. Sprawdź, czy niestandardowe oprogramowanie do akwizycji danych odbiera dane z licznika częstotliwości mikrofalowych, wzmacniacza lock-in, sterowników laserowych pompy i sondy oraz generatora funkcji. Następnie napełnij wodą destylowaną komorę na próbkę wykonaną z dwóch szkiełek nakrywkowych o średnicy 25 milimetrów i grubości 0,17 milimetra oraz taśmy politetrafluoroetylenowej o grubości 500 mikrometrów.Zamontuj uchwyt komory na trzyosiowym, zmotoryzowanym stoliku translacyjnym. Zabezpiecz próbkę wody w uchwycie komory. Przełóż próbkę do wspólnego punktu ostrości sondy i soczewki skupiającej pompkę.Następnie wyreguluj pokrętło prądu stożkowego sterownika lasera pompy wzmacniacza, aż moc lasera pompy przekroczy 250 miliwatów. Ustaw stałą czasową wzmacniacza lock-in na jedną sekundę, filtr dolnoprzepustowy na 24 decybele na oktawę, a czułość na jeden miliwolt RMS. Ustaw przesunięcie fazowe między wejściem odniesienia wzmacniacza a wejściem sygnału na zero.Monitorując zabłąkane odbicia pompy na pierwszym kanale, powoli dostosowuj prąd lasera pompy, aż obserwowane odbicia spadną do minimum. Następnie ustaw zasilacz zespołu grzewczego ogniwa rubidowego na 17 woltów prądu stałego. Gdy ogniwo rubidowe ustabilizuje się w temperaturze 90 stopni Celsjusza, umieść miernik mocy przed soczewką skupiającą laserową sondę. Powoli dostosuj prąd lasera sondy, aż zmierzona moc przekroczy 10 miliwatów.Następnie przesuń miernik mocy za ogniwo rubidowe. Dostosuj temperaturę lasera sondy, aż zmierzona moc osiągnie minimum. Następnie wyreguluj prąd lasera sondy, aż zmierzona moc ustabilizuje się powyżej 10 miliwatów.Zmień prąd lasera sondy, aby ustawić rozstrojenie częstotliwości między pompą a laserami sondy na mniej więcej przesunięcie Brillouina próbki. Ustaw czułość wzmacniacza lock-in na 100 mikrowoltów RMS i ustaw przesunięcie fazowe z powrotem na zero. Następnie ostrożnie przekręć skokowe i odchylające kinematycznego mocowania kinematycznego belki pompy i przenieś soczewkę skupiającą pompę wzdłuż osi optycznej systemu, aby zoptymalizować wydajność krzyżowania laserów pompy i sondy.Zablokuj wiązkę sondy i zanotuj poziomy odbić lasera pompy błądzącej, jednocześnie monitorując pierwszy kanał wzmacniacza lock-in. Bardzo ważne jest, aby prawidłowo odrzucać odbicia błądzące pompy od komory i próbki. W razie potrzeby lekko zamknij tęczówkę umieszczoną przed komórką rubidową i nieznacznie zwiększ kąt krzyżowy między pompą a laserem sondy, aby poprawić poziomy odrzucenia.Odblokuj wiązkę sondy i kontynuuj regulację lustra laserowego pompy i soczewki skupiającej, aż stymulowany sygnał wzmocnienia Brillouina osiągnie maksimum powyżej dwóch mikrowoltów RMS, a odbicia zabłąkanej pompy będą na stałym minimum. Po zoptymalizowaniu systemu pod kątem próbki należy utworzyć krzywą kalibracyjną na podstawie wykresu sondowanego prądu modulacji w funkcji odstrojenia częstotliwości pompa-sonda. Ustaw stałą czasową wzmacniacza typu lock-in na większą lub równą 100 mikrosekund.Ustaw generator funkcyjny podłączony do wejścia modulacji prądu sterownika lasera na kanał pierwszy. Wybierz przebieg trójkątny, ustaw amplitudę na napięcie szczytowe od szczytu do szczytu wynoszące 150 miliwoltów i ustaw częstotliwość na 50 Hz. Ustaw częstotliwość próbkowania jednostki akwizycji danych na mniejszą lub równą 100 000 próbek na sekundę na kanał.Korzystając z niestandardowego oprogramowania do akwizycji danych, rejestruj sygnały prądu modulacji laserowej SBG i sondy przez co najmniej 10 milisekund. Zaimportuj pozyskane dane do oprogramowania obliczeniowego. Użyj krzywej kalibracyjnej, aby przeliczyć zmierzone wartości prądu modulacji laserowej sondy na wartości odstrojenia częstotliwości pompy-sondy.Odejmij średni poziom hałasu. Wykreśl pomiary SBG w stosunku do wartości odstrojenia częstotliwości pompy-sondy, aby wygenerować widmo SBG. Dopasuj widmo za pomocą krzywej Lorentza, używając amplitudy, położenia częstotliwości i pełnej szerokości w połowie najwyższego punktu widma jako wartości początkowych.Obliczyć przesunięcie Brillouina i szerokość linii z pozycji częstotliwości maksimum i pełnej szerokości odpowiednio w połowie maksimum dopasowania Lorentza. Użyj wartości z powtarzających się widm dopasowanych Lorentza, aby wygenerować odpowiedni histogram. Tą metodą wygenerowano widma SBG próbek fantomowych wody destylowanej i emulsji lipidowej z rozdzielczością przestrzenną około ośmiu mikrometrów.Próbki wody zostały pobrane w ciągu 10 sekund i 10 milisekund, a próbki lipidów zostały pobrane w ciągu 10 sekund i 100 milisekund. Średnie przesunięcia Brillouina wyznaczone na podstawie szybko uzyskanych widm wynosiły 5,08 gigaherca dla wody i 5,11 gigaherca dla fantomu tkankowego. Wartości te były zgodne z wartościami obliczonymi na podstawie widm zarejestrowanych w ciągu 10 sekund oraz z wartościami literaturowymi.Na każdej próbie wykonano 200 kolejnych pomiarów i oceniono odchylenia standardowe rozkładów szacowanych przesunięć Brillouina. Odchylenia standardowe wynosiły odpowiednio 8,5 megaherca i 33 megaherce dla próbek wody i tkanek. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak złożyć i obsługiwać stymulowany spektrometr rozpraszania Brillouin, aby szybko zmierzyć stymulowane widma Brillouina uzyskane w próbkach wody i tkanek w trybie transmisji.

high-speed-continuous-wave-stimulated-brillouin-scattering

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Omówiono konstrukcję i działanie złożonego nieliniowego układu optycznego, który wykorzystuje ultraszybkie przełączanie całkowicie optyczne do izolacji sygnałów Ramanowskich od sygnałów fluorescencyjnych. Dzięki zastosowaniu tego układu możliwe jest skuteczne rozdzielenie sygnałów Ramanowskich i fluorescencyjnych przy użyciu energii impulsów oraz mocy średniej, które pozostają bezpieczne biologicznie.

Eliminacja tła fluorescencyjnego w rezonansowej i spontanicznej mikrospektroskopii Ramana

Wykorzystanie falowodów i wnęk fotonicznych zostało szeroko przyjęte przez społeczność fotoniczną w wielu różnych zastosowaniach. Dlatego produkcja i charakterystyka tych urządzeń cieszy się dużym zainteresowaniem. W artykule przedstawiono naszą technikę wytwarzania i dwie metody charakterystyki optycznej, a mianowicie: interferometrię (falowody) i rozpraszanie rezonansowe (wnęki).

Wytwarzanie i charakterystyka falowodów i wnęk wolnowodnych kryształów fotonicznych

Tutaj prezentujemy protokół do budowy szybkiego spektrometru Brillouina. Kaskadowe wirtualnie obrazowane etalony z matrycą fazową (VIPA) osiągają prędkość pomiaru ponad 1000 razy większą niż tradycyjne skaningowe spektrometry Fabry'ego-Perota. To ulepszenie zapewnia środki do analizy tkanek i biomateriałów metodą Brillouin przy niskich poziomach mocy in vivo.

Szybki spektrometr sub-GHz do analizy rozpraszania Brillouina

Przedstawiamy protokół zastosowania spektroskopii rozpraszania światła Brillouina do oczyszczonych elastyną i trypsyną włókien kolagenowych typu I macierzy zewnątrzkomórkowej w celu wydobycia ich pełnych właściwości elastycznych.

Przygotowanie włókien białkowych macierzy zewnątrzkomórkowej do spektroskopii Brillouina

Ten protokół opisuje analizę mrugającego, wzmocnionego powierzchniowo rozpraszania Ramana spowodowanego losowym chodzeniem pojedynczej cząsteczki po powierzchni srebra przy użyciu praw potęgowych.

Obserwacja i analiza mrugającego powierzchniowego rozpraszania Ramana wzmocnionego

W tym manuskrypcie opisana jest implementacja mikroskopu z wymuszonym rozpraszaniem Ramana (SRS), uzyskanego przez integrację eksperymentalnego zestawu SRS z laserowym mikroskopem skaningowym. Mikroskop SRS oparty jest na dwóch femtosekundowych (fs) źródłach laserowych, Ti-Sapphire (Ti:Sa) i zsynchronizowanym optycznym oscylatorze parametrycznym (OPO).

Wdrożenie mikroskopu nieliniowego opartego na wymuszonym rozpraszaniu Ramana

Ten artykuł bezpośrednio porównuje rozdzielczość, czułość i kontrasty obrazowania stymulowanego rozpraszania Ramana (SRS) i spójnego rozpraszania anty-Stokesa Ramana (CARS) zintegrowanych w tej samej platformie mikroskopowej. Wyniki pokazują, że CARS ma lepszą rozdzielczość przestrzenną, SRS daje lepsze kontrasty i rozdzielczość spektralną, a obie metody mają podobną czułość.

Bezpośrednie porównanie hiperspektralnie stymulowanego rozpraszania Ramana i koherentnej mikroskopii rozpraszania Ramana antystokesa do obrazowania chemicznego

Przedstawiamy protokół do pozyskiwania obrazów chemicznych za pomocą mikroskopii SRS (ang. broadband stimulated Raman scattering). Opierając się na mikroskopie SRS, który działa z różnicową detekcją wielokanałową typu lock-in, protokół opisuje przygotowanie próbki, regulację aparatury SRS i chemometrię w celu rozplątania różnych składników chemicznie niejednorodnych próbek.

Multipleksowe obrazowanie chemiczne oparte na szerokopasmowej mikroskopii rozpraszania Ramana stymulowanego

Niniejszy artykuł opisuje protokół mechanicznej charakterystyki żywych sferoidów w macierzy 3D za pomocą mikrospektroskopii Brillouina. Ta całkowicie optyczna metoda umożliwia wizualizację sferoidów o rozdzielczości mikroskalowej oraz ilościowych właściwościach mechanicznych. To podejście ma znaczenie dla fenotypowania mechanicznego; na przykład określanie stanów patologicznych kulistych nowotworów w mikrośrodowisku 3D.

Mechaniczne mapowanie sferoidów za pomocą spektroskopii Brillouina

Prezentujemy nieniszczącą metodę próbkowania zmienności przestrzennej w kierunku światła rozproszonego z materiałów strukturalnie złożonych. Utrzymując materiał w stanie nienaruszonym, zachowujemy rozpraszanie w skali grubej, jednocześnie rejestrując precyzyjne wkłady kierunkowe za pomocą obrazowania o wysokiej rozdzielczości. Wyniki są wizualizowane w oprogramowaniu w biologicznie istotnych pozycjach i skalach.

Pomiar przestrzennego i kierunkowego rozpraszania światła od materiału biologicznego

Poznaj konstrukcję szybkiego spektrometru rozpraszania Brillouina stymulowanego falami ciągłymi do analizy materiałów biologicznych. System wykorzystuje lasery diodowe i filtr pary atomowej, osiągając stukrotnie szybszą akwizycję danych przy wysokiej rozdzielczości.

Szybki spektrometr rozpraszania Brillouina stymulowany falami ciągłymi do analizy materiałów

Przeglądaj więcej filmów