Artigo de método

Espectrômetro de espalhamento Brillouin estimulado assemelhace de alta velocidade para análise de Material

DOI:

10.3791/55527

⸱

22 de setembro de 2017

 ,  , 
1Biomedical Engineering Department, Ben-Gurion University of the Negev, 2Ilse Katz Institute for Nanoscale Science and Technology, Ben-Gurion University of the Negev

Neste artigo

Resumo

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Podemos descrever a construção de um espectrómetro de (CW-SBS) continuous-wave-estimulada-Brillouin-dispersão rápida. O espectrômetro emprega lasers de diodo de frequência única e um entalhe vapor atômico-filtro para adquirir espectros de transmissão das amostras turvas/não-turvo com alta-resolução espectral em velocidades de até 100-fold mais rápido do que aqueles de espectrômetros de CW-SBS existentes. Esta melhoria permite a análise de material de alta velocidade Brillouin.

Resumo

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Últimos anos têm testemunhado um aumento significativo no uso de espectrômetros de Brillouin espontâneos para análise de não-contato de matéria mole, tais como soluções aquosas e biomateriais, com tempos de rápida aquisição. Aqui, discutimos a montagem e operação de um espectrômetro de Brillouin que usa estimulada espalhamento Brillouin (SBS) para medir espectros de ganho (SBG) Brillouin estimulados de água e lipídios do amostras de tecido-como baseada em emulsão em modo de transmissão com < 10 MHz resolução espectral e < 35 precisão de medição MHz Brillouin-turno em < 100 ms. O espectrômetro consiste em dois quase Counter-propagação assemelhace lasers de estreito-linewidth (CW) em 780 nm dessintonia cuja frequência é verificado através da turno de Brillouin material. Usando um filtro de entalhe de vapor quente de rubídio-85 ultrabanda estreita e um detector de fase sensível, a-a-relação sinal ruído do sinal SBG é significativamente melhorado em relação ao obtido com espectrômetros de CW-SBS existentes. Esta melhoria permite uma medição dos espectros SBG com até 100 vezes mais rápida aquisição vezes, facilitando a alta resolução espectral e alta precisão Brillouin análise de materiais macios em alta velocidade.

Introdução

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Espectroscopia de Brillouin espontânea estabeleceu, nos últimos anos, como uma abordagem valiosa para a análise mecânica de materiais macios, tais como líquidos, células de tecido real, espectros de tecido e biológica1,2, 3,4,5,6,7. Nesta abordagem, um único laser ilumina a amostra e a luz que é espalhada inelastically de espontâneas térmicas ondas acústicas no meio é recolhida por um espectrômetro, fornecendo informações úteis sobre as propriedades viscoelásticas da amostra. O espectro de Brillouin espontâneo inclui dois picos de Brillouin no acústico Stokes e ressonâncias anti-Stokes do material e um pico de Rayleigh na frequência do laser iluminante (devido a luz elasticamente disperso). Para uma geometria de Retrodispersão de Brillouin, as frequências de Brillouin são deslocadas por vários GHz da frequência do laser iluminante e tem largura espectral de centenas de MHz.

Enquanto digitalização espectrômetros de Fabry-Perot foram as sistemas de escolha para a aquisição de espectros de Brillouin espontâneos em matéria mole1,2, avanços tecnológicos recentes praticamente fotografaram matriz da fase (VIPA) Espectrómetros de permitiram significativamente mais rápido (segundo) Brillouin as medições com adequada-resolução espectral (sub-GHz)3,4,5,6,7. Neste protocolo, apresentamos a construção de uma diferente, de alta velocidade, alta resolução espectral, preciso Brillouin espectrômetro pela detecção da luz (CW-SBS) continuous-wave-estimulada-Brillouin-dispersão não turva e turva amostras em uma geometria de dispersão quase de volta.

Em espectroscopia de CW-SBS, assemelhace (CW) bomba e sonda laser, ligeiramente detuned em frequência, sobrepõem-se em uma amostra para estimular ondas acústicas. Quando a diferença de frequência entre os feixes de bomba e sonda corresponde uma ressonância acústica específica do material, amplificação ou deamplification do sinal da sonda é fornecido pelo estimulado Brillouin ganho ou perda de processos (SBG/SBL), respectivamente; caso contrário, não há amplificação de SBS (de) ocorre8,9,10,11. Assim, um espectro da SBG (SBL) pode ser adquirida pela digitalização a diferença de frequência entre os lasers através do material Brillouin ressonâncias e detectar o aumento (diminuição) ou ganho (perda), a intensidade de sonda devido a SBS. Ao contrário em espontâneo espalhamento Brillouin, fundo de dispersão elástica é inerentemente ausente no SBS, permitindo excelente contraste de Brillouin em amostras turvas e não turva, sem qualquer necessidade de filtros de rejeição de Rayleigh como exigido no VIPA Espectrómetros de11,10,13.

Os principais blocos de construção de um espectrómetro de CW-SBS são os lasers da bomba e a sonda e o detector de ganho/perda de Brillouin estimulado. Para espectroscopia de alta resolução espectral, alta velocidade CW-SBS, os lasers precisam ser frequência única (< 10MHz linewidth) com pré-definido de comprimento de onda suficientemente ampla (20-30 GHz) e taxa de exploração (> 200 GHz/s), a longo prazo estabilidade de frequência (< 50 MHz/h) e ruído de baixa intensidade. Além disso, a feixes de laser linearmente polarizado e difração limitada com poderes de poucas centenas (dezenas) de mW na amostra são necessários para que o feixe de bomba (sonda). Finalmente, o detector de ganho/perda de Brillouin estimulado deve ser concebido para detectar confiavelmente fraco para trás estimulado Brillouin ganho/perda (SBG/SBL) níveis (10-5 - 10-6) em matéria mole. Para atender estas necessidades, nós selecionamos lasers de diodo gabarito distribuído (DFB) acoplados à polarização-manutenção fibras junto com um detector de ganho/perda de Brillouin estimulado combinando uma ultrabanda estreita atômica de vapor de entalhe-filtro e uma alta frequência Single-modulação bloquear em amplificador, como ilustrado na Figura 1. Este esquema de deteção dobra a intensidade do sinal SBG reduzindo significativamente o ruído da intensidade de sonda, onde o sinal desejado da SBG é incorporado11. Observe que a função do vapor atômico entalhe-filtro utilizado em nosso espectrómetro SBS é para reduzir significativamente a detecção de reflexos indesejados bomba perdida ao invés de diminuir o plano de fundo de dispersão elástica como espectrômetros VIPA que detectam os dois espontânea de Rayleigh e Brillouin dispersaram a luz. Usando o protocolo detalhado abaixo, um espectrômetro de CW-SBS pode ser construído com a capacidade de aquisição de espectros de transmissão de água e tecido fantasmas com níveis SBG tão baixos quanto 10-6 no < precisão de medição 35 MHz Brillouin-turno e no prazo de 100 ms ou menos.

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Figura 1: assemelhace estimulado Brillouin (CW-SBS) de dispersão espectrómetro. Dois assemelhace bomba e sonda lasers de diodo (DL), frequência dessintonizada próximo turno da Brillouin da amostra, são acoplados em polarização-mantendo as fibras monomodo com colimadores C1 e C2, respectivamente. A diferença de frequência de bomba-sonda é medida por detectar a frequência de batida entre vigas descascadas dos lasers de bomba e sonda usando um conjunto de divisores de fibra (FS), um fotodetector rápido (FPD) e um contador de frequência (FC). O feixe do sonda S-polarizado (luz vermelha), expandido usando um Kepler expansor de feixe (L1 e L2), é certo circularmente polarizada por uma placa de quarto de onda (λ14) e focada na amostra (S) por uma lente acromática (L.3). Para interação efetiva do SBS e isolamento óptico, o feixe de bomba (vermelho escuro), expandido usando um expansor de feixe de Kepler (L5 e L.6), é primeiro usando uma placa de meia onda λ24 P-polarizado), transmitido através de um polarizador divisor (PBS), do feixe é finalmente deixou circularmente polarizada por uma placa de quarto de onda (λ24) e centrou-se a amostra com uma lente acromática (L4; mesmo que L3). Observe que as vigas da bomba e sonda quase Counter-propagam na amostra e que um polarizador orientado em S (P) foi usado para impedir que o raio da bomba P-polarizado (saindo de λ14) entre a sonda laser. Para bloquear em deteção, o feixe de bomba sinusoidaa é modulado em fm com um modulador óptico-acústico (AOM). O sinal da SBG, manifestado como variações de intensidade, a frequência fm (ver em baixo-relevo), é demodulado comum bloqueio no amplificador (LIA) após detecção por um fotodíodo de grande área (PD). Para eliminação significativa de reflexões de bomba perdida no fotodiodo, uma banda estreita filtro Bragg (BF) e um filtro de entalhe atômica (85RB) em torno do comprimento de onda da bomba são usados ao lado com uma bloqueio de luz íris (I). Dados são registrados por uma placa de aquisição de dados (DAQ) conectada a um computador pessoal (PC) para posterior análise do espectro de Brillouin. Todos os espelhos de dobramento (1M - M6) são usados para caber o espectrômetro em um 18 ' x 24 ' de experimentação que é montado verticalmente na tabela óptica para facilitar a colocação das amostras aquosas. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Protocolo

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Nota: salvo indicação em contrário, (i) conectar todas as montagens para postar os titulares e aperte as bases do post com um garfo de fixação ou montagem de base para a mesa óptica, e (ii) a utilização da saída do laser poderes de 2-10 mW para todos os procedimentos de alinhamento.

Nota: ligue todos os dispositivos elétricos/optoeletrônicos no setup e deixe 30 min de antes do warm up tempo uso.

1. preparar o caminho óptico de feixe de sonda

  1. montar e alinhar o colimador de fibra do laser sonda. Divisor de fibra de
    1. conectar-se a entrada da fibra de uma 33:67 FC/APC polarização-manutenção (porta T de FS 1) para o acoplador da fibra do laser sonda. Conecte o colimador de fibra (C 1), a fibra de 67%-saída do divisor da fibra (porta 1 do FS 1). Anexe o colimador de fibra para um monte de cinemática de 6 eixos (Ø x, Ø y, Ø z, x, y, z). Coloque um medidor de energia para trás o colimador de fibra e maximizar a potência do laser, ajustando o x, y e z os parafusos do acoplador do laser da fibra.
    2. Girar o colimador de fibra (ou o elemento ótico para ser alinhado) para ajustar a polarização do laser para a direção de polarização de S, que aqui é perpendicular ao plano da mesa óptica. Confirmar que o feixe de laser é S-polarizado medindo transmissão mínima do laser (máximo) (reflexão) através de um divisor de feixe de polarização auxiliar com um medidor de energia.
    3. Montar duas íris alinhamento auxiliar em uma altura idêntica da tabela óptica (3 ' ' nesta configuração). Para a propagação do feixe ao longo do eixo óptico do sistema e paralelo à tabela óptico, esta altura deve ser mantida constante durante o alinhamento de todo o sistema. Coloque uma íris em um furo de montagem de tabela para trás o colimador de fibra (ou o elemento ótico para ser alinhado) no < distância de 50mm. Coloque a segunda íris em um furo de montagem de tabela colineares suficientemente longe de ser a primeira íris (> 300mm).
    4. Alinhar o feixe de saída do colimador de fibra (ou o elemento ótico para ser alinhado) ao longo do eixo óptico do sistema, ajustando o x, y, Ø x e parafusos Ø y do Monte cinemático até o feixe de laser é concêntrico para o Centro de ambas as íris.
  2. Configurar um expansor de feixe de Kepler.
    1. Montar uma lente (L 1, f 1 = 25 mm) em uma montagem óptica fixa.
    2. Montar duas íris alinhamento auxiliar seguindo o procedimento em 1.1.3. Finamente ajustar a posição lateral e o ângulo de passo da lente para que o feixe transmitido é concêntrico ao centro de ambas as íris.
    3. Montar uma segunda lente (L-2, f 2 = 50 mm) em uma montagem óptica fixa. Anexe o post de montagem base para um estágio de translação linear alinhado ao eixo óptico do sistema. Coloque o palco, tal que a lente está a uma distância de f 1 + f 2 da primeira lente. Alinhar a lente, conforme descrito em 1.2.2.
    4. Coloque um interferômetro de corte para trás a segunda lente para confirmar que o feixe é colimado. Definição da palavra a segunda lente ao longo do eixo óptico do sistema até que as franjas de interferência produzidas são paralelas à linha de referência, pronunciou-se sobre o prato de difusor do interferômetro corte.
  3. Dobre o feixe de saída do expansor feixe.
    1. Montar um espelho (M 1) em um monte de cinemático com pitch (Ø x) e (Ø y) ajustes de guinada. Orientar o espelho para ser 45 ó em relação ao eixo óptico ao longo de elementos C 1 - L 1 - L 2.
    2. Montar duas íris alinhamento auxiliar seguindo o procedimento em 1.1.3. Ajuste o Ø x e parafusos Ø y do monte do espelho até o feixe reflectido é concêntrico ao centro de ambas as íris que define o eixo óptico do sistema.
  4. Configurar as ópticas de iluminação amostra. Placa de quarto de onda de
    1. monte uma ordem zero (λ 1 / 4) em uma 6-eixos cinemática de montagem (Ø x, Ø y, Ø z, x, y, z) a uma distância de cerca de 150 mm do espelho dobrável (M 1), deixando espaço suficiente para a colocação de um polarizador (P) antes do waveplate conforme descrito em 2.7. Rode o waveplate por 45 ó em relação ao seu eixo rápido para produzir um estado de polarização circular.
    2. Montar uma lente de focalização (L 3, f 3 = 30 mm) no mesmo monte cinemático do waveplate. Alinhe o feixe transmitido através da lente, seguindo o procedimento em 1.1.3-4.
  5. Configurar a ótica de coleta da amostra.
    1. Monte uma 6-eixos cinemática montagem (Ø x, Ø y, Ø z, x, y, z) para um diferencial fase de translação linear a uma distância de aproximadamente 60 mm da lente de focalização (L. 3). Montar uma placa de quarto de onda de ordem zero (λ 2 / 4) no Monte cinemático. Gire o waveplate de 45 ó em relação ao seu eixo rápido e confirmar que o feixe de laser é S-polarizado, seguindo o procedimento em 1.1.2.
    2. Montar uma lente de coleção (L-4, f 4 = 30 mm) no mesmo monte cinemático do waveplate. Alinhe o feixe transmitido através da lente, seguindo o procedimento em 1.1.3-4. Confirmar que o feixe é colimado, conforme descrito em 1.2.4.
    3. Montar um cubo de divisor de feixe de polarização (PBS) para um monte de cinemático com pitch (Ø x) e guinada (Ø y) ajustes e colocá-lo atrás do waveplate (como mostrado na Figura 1). Monte duas íris alinhamento auxiliar seguindo o procedimento em 1.1.3. Ajuste o Ø x e parafusos Ø y do Monte divisor de feixe até o feixe reflectido é concêntrico ao centro de ambas as íris que define o eixo óptico do sistema.

2. Preparar o caminho óptico de feixe de bomba

  1. montar e alinhar o colimador de fibra do laser bomba.
    1. Conectar-se a fibra da porta amplificada da bomba laser para o colimador de fibra (C 2). Montar e alinhar o colimador de fibra do laser da bomba, conforme descrito em 1.1.3 - 4.
  2. Sintonizar o comprimento de onda da bomba para o rubiduim-85 D2 F g = linha de absorção 3.
    1. Colocar uma célula de rubídio-85 vapor atrás o colimador de fibra do laser da bomba (C 2).
    2. Situar um fotodetector auxiliar atrás da célula de vapor para medir a transmissão do feixe da bomba através da célula. Conecte a célula fotoeléctrica de um osciloscópio. Imprensa o ' Autoset ' botão no osciloscópio para definir automaticamente o rastreamento de amplitude e tempo do sinal de leitura do photodetector.
    3. conjunto grosseiramente o comprimento de onda do laser para o rubídio D2 linha de absorção, 780.24 nm, girando o botão de temperatura no controlador do laser para um nível onde mínima de transmissão de luz é medida através da célula de rubídio pelo fotodetector auxiliares ( consulte a etapa 2.2.2). Definir a temperatura do laser para o nível identificado.
    4. Ligar a saída de um gerador de função para a entrada de modulação atual do controlador do laser da bomba de.
    5. Aplicar uma onda triangular de um gerador de função para a entrada de modulação atual do controlador do laser a lentamente o comprimento de onda do laser de varredura ao longo de 60 pm (30 GHz). Para tal, prima o ' Channel selecione ' botão sobre o gerador de função e selecione canal 1. Em seguida, pressione a ' rampa ' botão e depois o ' contínuo ' botão para definir o canal para produzir uma forma de onda do triângulo. Imprensa o ' Amplitude ' tecla de atalho para definir a amplitude da forma de onda para 2,25 Vpp (tensão de pico a pico) e o ' frequência/período ' tecla de atalho para definir a frequência de forma de onda de 5 mHz. Finalmente, pressione a ' na ' botão para ligar o canal do gerador de função.
    6. Identificar tão precisamente quanto possível o nível atual que traz o comprimento de onda da bomba para o rubídio-85 D2 F g = 3 linhas de absorção medindo mínimo transmissão de luz através da célula de rubídio usando o fotodetector auxiliar (ver Passo 2.2.2). Defina o laser atual para o nível identificado através do manípulo atual no controlador do laser. Remova a célula de rubídio e o auxiliar fotodetector. Finalmente, desligue o gerador de função da entrada de modulação atual do controlador do laser.
  3. Montar e alinhar o filtro de limpeza de linha de laser.
    1. Lugar o linha de laser Limpar filtro (um reflectora Bragg; BF) em uma cinemática montar com pitch (Ø x) e guinada ajustes (Ø y) a uma distância de 250 mm do colimador de fibra (C 2).
    2. Lugar um poder do medidor no caminho óptico de transmissão (reflexão) do filtro e minimizar (maximiza) o poder do feixe girando o filtro no eixo de pitch para coincidir com o ângulo de entrada de Bragg (8 ó nesta configuração). Ajustar finamente o Ø x e parafusos Ø y do Monte cinemático para otimizar o alinhamento.
    3. Dobra o feixe refletido fora o filtro volta a uma direção paralela à que do raio no filtro de entrada usando dois espelhos (M 2, M 3) montado na cinemáticas montagens com arremesso e guinada ajustes.
    4. Montar duas íris alinhamento auxiliar seguindo o procedimento em 1.1.3. Ajuste o Ø x e parafusos Ø y de ambos os suportes de espelho até o feixe refletido no espelho segunda é concêntrico ao centro de ambas as íris que define o eixo óptico do sistema.
  4. Montar e alinhar o modulador óptico-acústico.
    1. Montagem e alinhar uma lente (L -5, f 5 = 100 mm) para concentrar o feixe de bomba em um modulador óptico-acústico (AOM), conforme descrito em 1.2.2. Após aliment lente, retire suavemente a lente L 5 de sua montaria antes de colocar o AOM a fim de evitar danos para o AOM.
    2. Montar o AOM em uma plataforma de 5 eixos (Ø x, Ø y, x, y, z) a uma distância de aproximadamente 100 mm da lente de focalização (L. 5). Certifique-se de que o feixe de bomba propagação através da janela de entrada do modulador é S-polarizada (Veja 2.1.2) para otimizar o desempenho do modulador.
    3. Ligar a saída de RF do driver modulador para a entrada de RF do modulador usando um cabo coaxial de 50-Ω. Ligue o condutor e a imprensa o ' modo ' botão do motorista para que o modulador óptico-acústico opera em modo de assemelhace.
    4. Colocar um medidor de energia para trás a saída do modulador para medir a energia do feixe difractado primeira ordem apenas. Ajustar o ângulo de Bragg do modulador para maximizar o poder do feixe difractado de primeira ordem, rodando o modulador no eixo de pitch (Ø x).
    5. Reposição finelythe focando lente (L. 5) em sua montagem para concentrar o feixe de bomba para o modulador e atingir o tempo desejado rápida ascensão/queda (10 ns para foco de diâmetro de feixe ~ 50 µm nesta configuração). Ajustar o x, y, z, Ø x e parafusos Ø y da plataforma de montagem do modulador para maximizar o poder do feixe difractado de primeira ordem.
    6. Dobre o feixe na saída do modulador para uma direção paralela do feixe na entrada do modulador usando dois espelhos (M 4, M 5) montados na cinemáticas montagens com pitch (Ø x) e ajustes de guinada (Ø y) como descrito em 2.3.3-4.
    7. Montagem e alinhar uma segunda lente (L -6, f 6 = 200 mm) a uma distância de f 5 + f 6 da lente de focalização no modulador de entrada para Desbloqueem o feixe modulado bomba conforme descrito em 1.2.3-4. Esta lente juntamente com o foco da lente no formulário de entrada do modulador um expansor de feixe de Kepler para o feixe de bomba, a bomba de correspondência e sonda feixe diâmetros antes incidindo sobre a amostra (S).
  5. Set a bomba óptica P-polarização. Monte uma placa de meia-onda de ordem zero (λ/2) em um monte de rotação. Coloque o waveplate por trás da segunda lente do expansor Kepler feixe do raio da bomba (L. 6). Rode o waveplate para ajustar o feixe para a direção de polarização P, que aqui é paralelo ao plano da mesa óptica. Confirmar que o feixe de laser é P-polarizado medindo transmissão máxima do laser (mínimo) (reflexão) através de um divisor de feixe de polarização auxiliar com um medidor de energia.
  6. Dobra e lateralmente o deslocamento do feixe na saída do waveplate.
    1. Montar um espelho (M 6) em um monte de cinemático com pitch (Ø x) e guinada ajustes (Ø y) a uma distância de 50 mm da placa de meia onda (λ/2). Anexe a base de post do Monte cinemática para um estágio de translação linear alinhado ao eixo óptico do sistema. Orientar o espelho para ser 45 ó em relação ao eixo óptico ao longo da elementos λ/2-PBS.
    2. , Alinhar o feixe reflectido no espelho e a polarização divisor de feixe, conforme descrito em 1.3.1-2. Confirmar que o feixe de bomba transmitido através do divisor de feixe de polarização é colinear com sonda feixe trajecto óptico usando um laser que visualizaram o cartão
    3. Traduzir o espelho por 3 mm em uma direção perpendicular ao eixo óptico de lentes de focalização da bomba-sonda (L 4-L 3) para produzir a iluminação fora do eixo da bomba da amostra (S) que minimiza reflexões bomba perdida.
  7. Set a bomba bloqueando óptica no caminho óptico de sonda. Monte um polarizador linear (P) em um monte de rotação. Colocar o polarizador entre o espelho dobrável (M 1) e o primeiro waveplate (λ 1 / 4) no caminho óptico de sonda, aproximadamente 75 mm de cada um desses componentes. Girar o polarizador para minimizar (maximizar) transmissão do feixe de bomba (sonda).

3. Preparar o esquema para detectar a frequência dessintonia da bomba e Lasers de sonda

  1. Configurar a fibra óptica para as sonda e bomba lasers.
    1. Conectar-se a entrada da fibra de um 50: 50 FC/APC-manutenção da polarização fibra splitter (porta 1 do FS 2) para o acoplador da fibra do porto não amplificados do laser da bomba. Conectar-se a fibra de 33%-saída do divisor de fibra a sonda (porta 2 de FS 1) para a entrada de 50% fibra de divisor de fibra a bomba (porta 2 de FS 2) usando um acasalamento manga.
    2. Medir a potência óptica para a fibra de saída do divisor de fibra de bomba de 50: 50 (Porto T de FS 2) com um medidor de energia e certifique-se de que a ótica do poder total é < 10 mW para evitar a saturação do fotodetector de fibra-acoplado (FPD). Conectar-se a fibra de saída do divisor de fibra de bomba de 50: 50 (Porto T de FS 2) para a entrada de um fotodetector de alta velocidade de fibra-acoplado.
  2. Conectar o conector macho de K do fotodetector rápido diretamente ao conector fêmea K da banda GHz de um microondas freqcontador de uency (FC).

4. Definir se o estimulado Brillouin ganho/perda Detector

  1. Prepare o rubídio-85 vapor celular.
    1. Wrap toda a célula com uma almofada tèrmica condutora. Enrole uma fita térmica em torno das bordas da célula. Coloque um termopar no centro da célula para monitorar a temperatura de aquecimento. Certifique-se de que o termopar não toque a fita de calor. Conectar o termopar a um termômetro para ler a temperatura celular.
    2. Envolver toda a célula com uma fita de politetrafluoroetileno para segurar a fita do calor e termopar em seus lugares e isolar termicamente a célula do ambiente. Deixe o final da fita térmica desobstruída em ambas as extremidades. Os dois terminais da fita térmica do fio para um 0-30 V, 5 fonte de alimentação de DC A.
    3. Montar a célula no caminho óptico de reflexão do divisor de feixe de polarização (PBS). Certifique-se de que o feixe do sonda atinge o centro da célula.
    4. Montar uma íris (I) antes da célula. Abra a íris para que o feixe do sonda pode passar completamente. Esta íris auxilia em minimizar reflexões bomba perdida.
  2. Configurar o fotodetector. Célula
    1. lugar o fotodetector (PD), por trás do rubídio. O fotodetector, alojado em uma caixa de alumínio, é composto por um fotodíodo de grande área e um filtro de passa-baixa RC caseiro (R = 1 kΩ, C = 0.1 μF) que reduz o ruído da tensão de polarização reversa. Certifique-se de que o feixe do sonda atinge o centro do fotodiodo usando um laser que visualizaram o cartão
    2. Conectar o fotodiodo cátodo terminal para o 0-30 V, 5 A DC fonte de alimentação usando um cabo coaxial de 50 Ω. Aplicar uma polarização reversa de 25 V, girando o botão de tensão na fonte de alimentação, para que o fotodiodo é operado no modo fotocondutoras para a deteção de alta-frequência.
  3. Montar o amplificador de bloqueio-no.
    1. Connect o fotodetector para um 50Ω coaxial-filtro passa baixa (LPF) de largura de banda 1,9 MHz, utilizando um cabo coaxial de 50 Ω. Conecte a saída do LPF coaxial diretamente para a entrada de sinal do fechamento-em amplificador (LIA). Imprensa o ' Sig-Z em ' botão do fechamento-em amplificador para definir o sinal de entrada impedância do amplificador para 50Ω bloquear em.
    2. Connect canaleta 1 de um gerador de função para a referência de entrada do fechamento-em amplificador utilizando um cabo coaxial de 50 Ω. Imprensa o ' Channel selecione ' botão sobre o gerador de função e selecione canal 1. Em seguida, pressione a ' Sine ' botão e depois o ' contínuo ' botão para definir o canal para produzir uma forma de onda senoidal. Imprensa o ' Amplitude ' tecla de atalho para definir a amplitude da forma de onda para 0,7 Vpp e o ' frequência/período ' tecla de atalho para definir a frequência de onda para f m = 1,1 MHz.
    3. Connect canaleta 2 do gerador de função para o exterior entrada analógica do controlador modulador acústico-óptico usando um cabo coaxial de 50 Ω. Siga o procedimento na 4.3.2 para definir um 1 Vpp, f m = onda sinusoidal de 1,1 MHz no canal 2.
    4. Imprensa o ' na ' botão do gerador de função para ativar canais 1 e 2 e prenda sua relação de fase empurrando o ' fase alinhar ' botão do painel frontal do gerador de função.
    5. Interruptor a ' modo ' botão do motorista modulador óptico-acústico para ' Normal ' estado. O raio da bomba agora é opticamente modulado a f m = 1,1 MHz.

5. Preparativos finais do sistema e otimização de desempenho

  1. Configurar a aquisição de dados unidade
    1. Conecte a saída analógica do contador de frequência de microondas (FC) para uma entrada analógica da unidade de aquisição de dados (DAQ) usando um cabo coaxial. Imprensa o ' DAC ', ' 1 ' e ' 0 ' botões sobre o contador de frequência para definir a precisão de leitura de frequência de 10 MHz. Este canal monitora a frequência de bomba-sonda dessintonia.
    2. Conectar-se a ' X ' saída do fechamento-em amplificador (LIA) para a segunda entrada analógica da unidade de aquisição de dados usando um cabo coaxial. Imprensa o ' saída ' botão da ' X ' canal do amplificador de fechamento-em para ativar o canal. Usar este canal monitores o ganho de Brillouin estimulado (SBG) sinal nível.
    3. Dividir um canal de saída de um gerador de função em dois canais separados usando um conector BNC-t. Conectar-se um canal para a entrada de modulação atual do controlador do laser de sonda e o segundo canal para a terceira entrada analógica da unidade de aquisição de dados, usando cabos coaxiais. Use este segundo canal para adquirir o sinal de modulação atual do laser sonda.
    4. Conectar a saída USB da unidade de aquisição de dados a um computador. Escrever um programa em um pacote de software de aquisição de dados para visualizar e gravar os sinais acima descritos, a aquisição de dados unidade 14.
  2. Montar uma amostra de água na câmara de medição. Câmara de 500 µm de espessura de vidro
    1. preencher uma casa construída com água destilada. A câmara é composta dois redondo 25 mm diâmetro 0,17 mm espessura as lamelas de vidro espaçadas por uma fita de 500 µm de espessura de politetrafluoroetileno.
    2. Montar um suporte de câmara num palco de tradução motorizado de 3 eixos. Coloque a câmara de medição no suporte e traduzi-lo para o ponto de foco comum da sonda e bomba com lentes de foco (L 3 e L 4, respectivamente) usando o palco motorizado.
  3. Aqueça a célula de rubídio. Uso de laser
    1. utilizar óculos de laser para 780 nm. Aumentar a potência do laser da bomba para obter > 250 mW na amostra o selector da atual do controlador afilado-amplificador e medindo o poder antes da amostra com um medidor de energia.
    2. Conjunto a constante de tempo do bloqueio-no amplificador (LIA) para 1 s pressionando o ' resolver up/down ' botões do amplificador de fechamento-em. Definir o filtro passa-baixa do bloqueio-no amplificador de 24 dB/oct, empurrando o ' filtro Slope up/down ' botões. Definir a sensibilidade de bloquear em amplificador de 1 mVrms pressionando o ' Sens up/down ' botões. Use a função de fase alinhar do fechamento-em amplificador para ajustar a mudança de fase entre as entradas de referência e sinal do amplificador para zero, empurrando o ' Shift ' e ' fase ' botões.
    3. Monitorar as reflexões de bomba perdida, observando as leituras sobre o ' X ' canal do amplificador bloqueio-no.
    4. Sintonizar o comprimento de onda da bomba para o rubiduim-85 D 2 F g = linha de absorção 3 rodando suavemente o botão atual no controlador do laser para obter uma leitura de reflexão mínimo bomba perdida no ' X ' canal do amplificador bloqueio-no.
      5. Abastecimento de
    5. conjunto 17 V DC no poder conectado à fita de calor para aquecer a célula de rubídio a 90 o C. espere alguns minutos até que a leitura do termômetro se estabiliza na temperatura da célula desejada. Nota: As leituras do sinal observaram na ' X ' canal do amplificador bloqueio-no rapidamente deve cair durante o aquecimento (devido ao aumento significativo na absorção da célula).
  4. Medida e otimizar o sinal da SBG na água.
    1. Aumentar a potência do laser sonda para obter > 10 mW pelo manípulo de atual no controlador do laser e medição da potência só antes da amostra com um medidor de energia sobre a amostra.
    2. Grosseiramente sintonizar o comprimento de onda da sonda para o rubiduim-85 D2 F g = linha de absorção 3 Selector da temperatura no controlador do laser de sonda e medindo um nível de potência mínima do laser atrás da célula de rubídio com um medidor de energia.
    3. finamente ajustar o comprimento de onda de sonda para ser mais do que o comprimento de onda bomba girando o botão atual no controlador do laser de sonda até > 10 mW, aproximadamente constante, poder do laser níveis são medidos por trás da célula de rubídio com um medidor de energia. Nota: Se o comprimento de onda da sonda é mais curto que a do laser da bomba, então as bandas de absorção adicional da célula de rubídio-85 reduzem significativamente o poder de sonda na saída da célula.
    4. Definir a frequência dessintonia entre as bomba e sonda lasers para coincidir com a mudança de Brillouin de água (~ 5 GHz) o selector da atual no controlador do laser de sonda e observando a frequência dessintonia leituras sobre o contador de frequência (FC). Nota: Para o negativo (positivo) primeira ordem difractado beam estas leituras devem ser maiores (menores) do que a mudança de Brillouin pelo RF frequência do modulador óptico-acústico (210 MHz nesta configuração) de condução.
    5. Definir a sensibilidade de bloquear em amplificador de 100 µVrms e ajustar a mudança de fase entre as entradas de referência e sinal do amplificador para zero, seguindo o procedimento em 5.3.3.
    6. Otimizar a eficiência do cruzamento dos feixes bomba e sonda (i) finamente ajustando o Ø x e parafusos Ø y do Monte cinemático do espelho dobrável do raio da bomba (M 6), e (ii) ligeiramente, traduzindo a bomba concentrando-se ao longo do eixo óptico do sistema de lente (L. 4).
    7. Assegure-se que o maior sinal de leituras sobre o ' X ' canal do amplificador bloquear em resultar predominantemente de um sinal SBG aumentado (em vez de reflexões bomba perdida) por bloquear o feixe do sonda e medição de níveis de inalterada da bomba perdida reflexões sobre a ' X ' canal do amplificador bloqueio-no.
    8. Repita etapas 5.4.6-7 até que o sinal da SBG atinge um máximo (> 2 µVrms), mantendo-se reflexões bomba perdida em um nível mínimo inalterado.

6. Medir e analisar um espectro SBG

  1. criar uma curva de calibração da sonda modulação atual vs bomba-sonda frequência dessintonia.
    1. Definir a frequência dessintonia entre os lasers da bomba e a sonda de 5 GHz (em torno de Brillouin shift da água), girando o botão atual no controlador do laser de sonda.
    2. Imprensa o ' RES ' e ' 5 ' botões sobre o contador de frequência de microondas (FC) para definir o tempo de porta de 1 ms, fornecendo um intervalo de amostragem de 100 ms entre frequência consecutiva dessintonia medições. Aplica uma onda triangular para a entrada de modulação atual do controlador do laser de sonda, seguindo o procedimento no 2.2.5 com parâmetros de amplitude e frequência de forma de onda de 150 mVpp e 50 mHz, respectivamente. Isso permitirá que a varredura lentamente o comprimento de onda de sonda (e, portanto, a frequência de bomba-sonda dessintonia) através de 2 GHz.
    3. Definir a taxa de amostragem da unidade de aquisição de dados (DAQ) de 100 amostras/s/canal e gravar a frequência de bomba-sonda desintoxicando e sonda sinais do laser modulação atual da unidade de aquisição de dados por 20 s (mais de 4-6 GHz) usando os dados escritos-casa programa de aquisição.
    4. Carregar os dados de medição em um programa de software computacional. Ajuste os dados de detuning de frequência de bomba-sonda com um modelo linear. Note que também é possível usar um ajuste polinomial de ordem superior (devido a não linearidade da frequência da bomba-sonda dessintonia medições). Cabe também a sonda laser modulação atual dados com um modelo linear.
    5. Gerar a curva de calibração, armazenando em um programa de software computacional a frequência de bomba-sonda dessintonia amostras amostras de ajuste em função da modulação sonda atual caber.
  2. Medir um espectro SBG em alta velocidade.
    1. Montar o amostra sob teste (S), por exemplo, água destilada água como usado nos experimentos, como descrito em 5.2.1 - 2. Repita as etapas 5.4.1 - 8.
    2. Definir a constante de tempo de bloqueio-no amplificador (LIA) para ≥ 100 µs pressionando o ' resolver up/down ' botões do amplificador de fechamento-em. Aplica uma onda triangular para a entrada de modulação atual do controlador do laser de sonda, seguindo o procedimento no 2.2.5 com parâmetros de amplitude e frequência de forma de onda de 150 mVpp e 50 Hz, respectivamente. Isso permite que para rapidamente digitalizar o comprimento de onda de sonda (e, portanto, a frequência de bomba-sonda dessintonia) através de 2 GHz.
    3. Definir a taxa de amostragem da unidade de aquisição de dados (DAQ) ≤ 100.000 channel/amostras/s e registro da SBG e a sonda laser atual sinais de modulação da unidade de aquisição de dados para ≥ 10 ms (mais de 4-6 GHz) usando os dados escritos-casa programa de aquisição.
  3. Visualizar e analisar o espectro SBG.
    1. Carregar os dados de medição gravados em 6.2.6 em um programa de software computacional.
    2. Converter os valores atuais de medida sonda laser modulação frequência bomba-sonda dessintonia valores identificando esses valores na curva de calibração armazenadas em 6.1.5.
    3. Subtrair o piso de ruído médio do espectro e visualizar o espectro da SBG plotando as medições SBG contra a frequência de bomba-sonda dessintonia valores.
    4. Caber o espectro com uma curva de Lorentzian. Para suposição inicial dos parâmetros de Lorentzian, usar a amplitude, a posição de frequência e largura total no meio do ponto mais alto do espectro de.
    5. Calcular o deslocamento de Brillouin e linewidth da amostra testada, recuperando a posição de frequência do máximo e largura total no metade-máximo do ajuste Lorentzian, respectivamente.

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Resultados

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Figuras 2b e 3b exibem espectros típicos de SBG ponto de água destilada e tecido de emulsão lipídica amostras fantasmas (com 2,25 eventos de espalhamento e um coeficiente de atenuação de 45 cm-1) medidas no prazo de 10 ms e 100 ms, respectivamente. Para comparação, Nós medimos os espectros SBG em 10 s, como mostrado nas figuras 2a e 3a. Estas medições, a célula de rubídio-85 vapor foi aquecida a 90 ° C para ate...

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Discussão

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

O sistema, mostrado na Figura 1, foi projetado para ser construído sobre uma tábua de 18'' x 24 ' que pode ser montada verticalmente em uma mesa de óptica, facilitando a colocação das amostras aquosas. Como resultado, é importante fortemente apertar todos os elementos de ópticos e mecânicos, e certifique-se de que a bomba e sonda vigas são colineares e concêntricos com os vários elementos antes de iluminar a amostra em geometria fora do eixo.

Dificuldades em observar o estimul...

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Divulgações

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Os autores não têm nada para divulgar.

Agradecimentos

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

IR é grato à Fundação Azrieli para a atribuição de bolsa de doutorado.

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Cabeça de laser de diodo de sonda e controladorToptica PhotonicsSYST DL-100-DFBQuantidade: 1
Bomba de laser de diodo amplificado e controladorToptica PhotonicsSYST TA-pro-DFBQuantidade: 1
doca de fibra FC/APCToptica PhotonicsFiberDock Quantidade: 3
Polarização monomodo de alta potência mantendo o cabo de fibra FC/APCToptica PhotonicsOE-000796Quantidade: 1
colimação de fibra FC/APC com óptica de colimação ajustávelToptica PhotonicsFiberOutQuantidade: 1
colimador fixo de fibra FC/APCOZ OpticsHPUCO-33A-780-P-6.1-ASQuantidade: 1
Divisor de fibra de manutenção de polarização monomodo 33:67OZ OpticsFOBS-12P-111-4/125-PPP-780-67/33-40-3A3A3A-3-1Quantidade: 1
Divisor de fibra de manutenção de polarização monomodo 50:50OZ OpticsFOBS-12P-111-4/125-PPP-780-50/50-40-3S3A3A-3-1Quantidade: 1
f=25 mm, Ø Gibão Acromático de 1/2", Montagem SM05-Rosqueada, ARC: 650-1050 nmThorlabsAC127-025-B-MLQuantidade: 1
f=30 mm, Ø Gibão Acromático de 1", Montagem SM1-Roscada, ARC: 650-1050 nmThorlabsAC254-30-B-MLQuantidade: 2
f=50 mm, Ø Gibão Acromático de 1", Montagem SM1-Rosqueada, ARC: 650-1050 nmThorlabsAC254-50-B-MLQuantidade: 1
f=100 mm, Ø Gibão Acromático de 1", Montagem SM1-Rosqueada, ARC: 650-1050 nmThorlabs AC254-100-B-MLQuantidade: 1
f=200 mm, Ø Gibão Acromático de 1", Montagem SM1-Roscada, ARC: 650-1050 nmThorlabs AC254-200-B-MLQuantidade: 1
Ø Espelho Dielétrico de Banda Larga 1/2", 750-1100 nmThorlabs BB05-E03Quantidade: 4
Ø Espelho Dielétrico de Banda Larga de 1", 750-1100 nmThorlabs BB1-E03Quantidade: 2
Cubo divisor de feixe polarizador de 1", 780 nmThorlabs PBS25-780Quantidade: 1
Ø Polarizador linear de 1" com janelas de proteção N-BK7, 600-1100 nmThorlabs LPNIRE100-BQuantidade: 1
Interferômetro de cisalhamento com placa de cisalhamento de diâmetro de feixe de 1-3 mmThorlabsSI035Quantidade: 1
Montagem óptica cinemática de travamento de 6 eixosThorlabs K6XSQuantidade: 4
Plataforma compacta de cinco eixosThorlabs PY005Quantidade: 1
Adaptador de montagem de pedestal para plataforma de 5 eixosThorlabs PY005A2Quantidade: 1
Polaris low drift Ø Suporte de espelho cinemático de 1/2", 3 ajustadoresThorlabs POLARIS-K05Quantidade: 4
Suporte de lente para Ø Óptica de 1"Thorlabs LMR1Quantidade: 5
Adaptador com roscas externas SM1 e roscas SM05 internas, 0,40" de espessuraThorlabs SM1A6TQuantidade: 1
Montagem de rotação para Ø Óptica de 1"Thorlabs RSP1Quantidade: 2
" Montagem de prisma cinemáticaThorlabs KM100PMQuantidade: 1
Diafragma de íris SM1 ativado por anel graduadoThorlabs SM1D12CQuantidade: 1
Diafragma de íris pós-montado, Ø Abertura máxima de 12,0 mmThorlabsID12Quantidade:
2 1/2" estágio de tradução com micrômetro padrãoThorlabsMT1Quantidade: 3
Ø Poste de pilar de pedestal de 1", 8-32 torneiras, L = 1"ThorlabsRS1P8EQuantidade: 1
Ø Poste de pilar de pedestal de 1", 8-32 torneiras, L = 1.5"ThorlabsRS1.5P8EQuantidade: 2
Ø Poste de pilar de pedestal de 1", 8-32 torneiras, L = 2"ThorlabsRS2P8EQuantidade: 4
Ø Poste de pilar de pedestal de 1", 8-32 torneiras, L = 2.5"ThorlabsRS2.5P8EQuantidade: 1
Ø Poste de pilar de pedestal de 1", 8-32 torneiras, L = 3"ThorlabsRS3P8EQuantidade: 4
Garfo de fixação curtoThorlabsCF125Quantidade: 12
Base de montagemThorlabsBA1SQuantidade: 8
Grande V-Clamp com braço de fixação PM4, 2.5" de comprimento, ImperialThorlabsVC3CQuantidade: 1
Ø Suporte de poste de 1/2", parafuso de aperto manual com mola de travamento, L = 1"ThorlabsPH1Quantidade: 2
Ø Suporte de poste de 1/2", parafuso de aperto hexagonal com mola, L = 1.5"ThorlabsPH1.5Quantidade: 2
Ø Suporte de poste de 1/2", parafuso de aperto manual com mola e travamento, L = 2"ThorlabsPH2Quantidade: 6
Ø Poste óptico de 1/2", SS, parafuso de fixação 8-32, torneira de 1/4"-20, L = 1"ThorlabsTR1Quantidade: 2
Ø Poste óptico de 1/2", SS, parafuso de fixação 8-32, torneira de 1/4"-20, L = 1.5"ThorlabsTR1.5Quantidade: 2
Ø Poste óptico de 1/2", SS, parafuso de fixação 8-32, torneira de 1/4"-20, L = 2"ThorlabsTR2Quantidade: 6
Placa de ensaio de alumínio 18" x 24" x 1/2", 1/4"-20 torneirasThorlabsMB1824Quantidade: 1
Suporte vertical de 12" para placas de ensaio, furos de 1/4"-20, 1 peçaThorlabsVB01Quantidade: 2
fotodiodo Si, 40 ns Tempo de subida, 400 - 1100 nm, área ativa de 10 mm x 10 mmThorlabs FDS1010Quantidade: 1
Placa de onda, ordem zero, 1/4 onda 780nmTower OpticsZ-17.5-A-.250-B-780Quantidade: 2
Waveplate, ordem zero, 1/2 onda 780nmTower OpticsZ-17.5-A-.500-B-780Quantidade: 1
fotodetector de ultra alta velocidade acoplado a fibraNewport1434Quantidade: 1
Gimbal montagem óptica mirorNewportU100-G2H ULTIMAQuantidade: 3
estágios lineares com alcance de deslocamento de 25 mmNewport  M-423 Quantidade: 1
Micrômetro diferencial bloqueável, 25 mm grosso, 0,2 mm fino, carga de 11 lb.Newport  DM-25LQuantidade: 1
Estágio linear do motor XYZInstrumentação Científica AplicadaLS-50Quantidade: Controlador de 3
estágiosInstrumentação Científica AplicadaMS-2000Quantidade: 1
Suporte de amostraFeito em casaQuantidade personalizada: 1
Célula de espectroscopia de sílica fundida de rubídio 85 com janelas planas revestidas com AR, comprimento de 150 mm, fotônica de 25 mmde diâmetro TecnologiasSC-RB85-25x150-Q-ARQuantidade: 1
Almofada condutora térmica 300 mm x 300 mmBERGQUISTQ3AC 300MMX300MMFOLHA Quantidade: 1
Fita térmica 0.15 mm x 2.5  mm x 5 m, 4.29  W/mKANTHAL8908271Quantidade: 1
fita de politetrafluoretileno 1/2'' x 12 mFita de TeflonR.G.DQuantidade: 1
Filtro passa-banda de grade de Bragg refletivoOptiGrateSPC-780Quantidade: 1
Modulador óptico aousto de alta frequênciaGooch e Housego15210Quantidade: 1
Modulador óptico Aousto Driver de RF, frequência: 210 MHz Gooch and HousegoMHP210-1ADS2-A1Quantidade: 1
Amplificador de bloqueio de alta frequência Stanford Research SystemsSR844Quantidade: 1
Contador de frequênciaPhase MatrixEIP 578BQuantidade: 1
Gerador de função arbitráriaTektronixAFG2021Quantidade: 2
Módulo de aquisição de dados (DAQ)National InstrumentsNI USB-6212 BNCQuantidade: 1
Software de aquisição de dados (DAQ) National InstrumentsLabVIEW 2014Quantidade: 1
Fonte de alimentação DC regulada  dual 0-30V 5AMEILIMCH-305D-iiQuantidade: 1
TermoparMRCTP-01Quantidade: 1
TermômetroMRCTM-5007Quantidade: 1
Filtro passa-baixo coaxial DC-1.9 MHzMini CircuitsBLP-1.9Quantidade: 1
20% de emulsão lipídicaSigma-AldrichI141-100mlQuantidade: 1
lamínula redonda de 25 mm de diâmetro de espessura:1 #Menzel Glaser150285Quantidade: 1
Software computacional MathWorksMATLAB 2015a
1+

Referências

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Koski, K. J., Akhenblit, P., McKiernan, K., Yarger, J. L. Non-invasive determination of the complete elastic moduli of spider silks. Nat. Mater. 12 (3), 262-267 (2013).
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