Szybki spektrometr rozpraszania Brillouina stymulowany falami ciągłymi do analizy materiałów

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.