Методическая статья

Высокоскоростной непрерывном стимулировали Бриллюэна рассеяния спектрометр для анализа материалов

9.9K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/55527

⸱

22 сентября 2017 г.

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

В этой статье

Краткое содержание

Мы описываем строительство быстрый спектрометр (CW-ГПС) continuous-wave-стимулировали Бриллюэна рассеяния. Спектрометр занято одночастотные лазеры диода и атомной пара паз фильтр для приобретения передач спектры мутная/не мутная образцов с высоким спектральным разрешением на скоростях до 100 раз быстрее, чем те из существующих CW-SBS спектрометров. Это улучшение позволяет высокоскоростной Бриллюэна анализ материала.

Аннотация

Последние годы наблюдается значительное увеличение использования спонтанное Бриллюэна спектрометров для анализа бесконтактный мягкой материи, например водные растворы и биоматериалов, с быстрого приобретения раз. Здесь мы обсуждаем Ассамблея и эксплуатации Бриллюэна спектрометра, который использует стимулировали Бриллюэна рассеяния (ГПС) для измерения стимулировали Бриллюэна прибыль (SBG) спектры образцов воды и липидов эмульсия на основе ткани как в режиме передачи с < 10 МГц Cпектральное разрешение и < 35 МГц Бриллюэна сдвиг измерения точности в < 100 г-жа спектрометр состоит из двух почти противодействия пропаганде непрерывном (CW) узкой линией лазеры на 780 нм, чьи частоты расстройки сканируется через материал Бриллюэна сдвиг. С помощью ультра узкополосный горячего пара рубидий-85 узкополосный режекторный фильтр и детектор фазочувствительные, сигнала к--шум сигнала SBG значительно улучшено по сравнению с полученные с существующими CW-SBS спектрометров. Это улучшение позволяет Измерение спектров SBG с до 100-кратного быстрее приобретение раз, способствуя тем самым высоким спектральным разрешением и высокой точности анализа Бриллюэна мягких материалов на высокой скорости.

Введение

Спонтанное Бриллюэна спектроскопии был создан, в последние годы, как ценный подход для механического анализа мягких материалов, таких как жидкости, реальные ткани, ткани фантомы и биологические клетки1,2, 3,4,5,6,7. В этом подходе один лазерный освещает образца и свет, inelastically, разбросанных от спонтанной тепловых акустических волн в среде собранные спектрометр, предоставляя полезную информацию на вязкоупругие свойства образца. Спонтанное Бриллюэна спектра включает в себя две вершины Бриллюэна на акустических Стокса и резонансы Антистоксовый материала и Рэлея, пика освещающей лазерной частоты (из-за упруго рассеянный свет). Для обратного рассеяния геометрии Бриллюэна частоты Бриллюэна сдвигаются на несколько ГГц от освещающей лазерной частоты и имеют Спектральная ширина сотни МГц.

Хотя сканирование Фабри-Перо спектрометры систем оф выбор для получения спонтанного Бриллюэна спектры в мягкой материи1,2, последние технологические достижения в практически отображаемого этапа массив (VIPA) спектрометры позволили значительно быстрее (секунды) Бриллюэна измерений с адекватной спектральных резолюции (суб ГГц)3,4,5,6,7. В этом протоколе мы представляем строительство разные, высокоскоростной, высокое спектральное разрешение, точные Бриллюэна спектрометр основанный на обнаружении continuous-wave-стимулировали Бриллюэна рассеяния света (CW-ГПС) от не мутная и мутная образцы в геометрии почти обратно рассеяния.

В CW-SBS спектроскопии непрерывном (CW) насоса и датчика лазеры, слегка перестроен в частоте, пересекаются в образце для стимулирования Акустические волны. Когда частота разница между насосом и зонд балки соответствует конкретным акустического резонанса материала, усиления или deamplification сигнала зонда обеспечивается стимулировали Бриллюэна прибыль или убыток (SBG/SBL) процессов, соответственно; в противном случае не SBS (de) усиление происходит8,9,10,11. Таким образом спектр SBG (SBL) может приобретаться путем сканирования частоты разница между лазеры через материала Бриллюэна резонансы и обнаружения увеличение (уменьшение), или прибыль (убыток), интенсивности зонд из-за SBS. В отличие от спонтанного Бриллюэна рассеяния, упругого рассеяния фон изначально отсутствуют в SBS, позволяя отличную контрастность Бриллюэна в мутные и не мутная образцах без необходимости Рэлея неприятие фильтры как требуется в VIPA спектрометры10,11,13.

Основные строительные блоки CW-SBS-спектрометр являются насоса и датчика лазеры и стимулировали детектор Бриллюэна прибыли/убытка. Для спектроскопии высокое спектральное разрешение, высокая скорость CW-SBS, нужно быть одночастотные лазеры (< 10 МГц linewidth) с достаточно широкие волны перестройки (20-30 ГГц) и скорость сканирования (> 200 ГГц/s), долгосрочная стабильность частоты (< 50 MHz/h) и низкой интенсивности шума. Кроме того, линейно поляризованных и дифракционный лазерные лучи с державами нескольких сотен (десятки) МВт на образце требуются для пучка насоса (зонд). Наконец стимулировали детектор прибыль/убыток Бриллюэна должна надежно обнаруживать слабые обратной стимулировали Бриллюэна прибыль/убыток (SBG/SBL) уровни (10-5 - 10-6) в мягкой материи. Для удовлетворения этих потребностей, мы выбрали лазеры диода распределенной обратной связи (DFB) в сочетании с поляризацией поддержание волокон вместе с стимулировали детектор Бриллюэна прибыль/убыток, сочетание ультра узкополосный атомной паров узкополосный режекторный фильтр и высокой частоты Одноместный модуляции блокировки в усилитель, как показано на рисунке 1. Эта схема обнаружения удваивает интенсивность сигнала SBG одновременно значительно снижает шум в зонд интенсивности, где полезный сигнал SBG является встроенный11. Обратите внимание, что роль атомной пара паз фильтр, применяемый в нашей SBS спектрометр значительно сократить обнаружение нежелательных бродячих насос размышления вместо того, чтобы уменьшить фон упругого рассеяния как VIPA спектрометры, которые обнаруживают оба Спонтанное Рэлея и Бриллюэн рассеянного света. Используя протокол, подробно описаны ниже, CW-SBS спектрометр могут быть построены с возможностью получения передач спектры воды и ткани фантомы с уровнями SBG как низко как 10-6 на < 35 МГц Бриллюэна сдвиг измерения точности и в пределах 100 мс или менее.

figure-introduction-1
Рисунок 1: непрерывном стимулировали Бриллюэна рассеяния (CW-ГПС) спектрометра. Два непрерывном насоса и датчика лазеры диода (DL), частота, перестроен вокруг Бриллюэна смещение образца, соединены в поляризации поддержание одномодовые волокна с коллиматоры C1 и C2, соответственно. Насос зонд разница частоты измеряется путем обнаружения избили частоты между балками, очищенные от насоса и датчика лазеры с помощью набора волокна сплиттеры (FS), быстро фотоприемника (УЗС) и частотомер (FC). S-поляризованных зонд луча (светло-красный), расширена с помощью кеплеровской расширитель луча (L1 и L-2), правом циркулярно поляризованных четверть волны пластиной (λ1/4) и сосредоточены на образце (S), ахроматические линзы (3Л). Для эффективного взаимодействия SBS и оптические изоляции, насос луч (темно-красный), расширена с помощью расширителя пучка кеплеровской (5 L и L6), сначала P-поляризованные с помощью пластины Полуволновые λ2/4), затем передается через поляризационные пучка сплиттер (PBS) и наконец слева циркулярно поляризованных четверть волны пластиной (λ2/4) и сосредоточена на образце с ахроматический объектив (L4; так же, как3Л). Обратите внимание, что насос и зонд балки почти часовой распространять в образце и что S-ориентированный поляризатора (P) был использован для предотвращения проникновения щупа насоса P-поляризованных пучка (выходит λ1/4) лазерная. Для блокировки в обнаружения насос луч синусоидально модулируется fm с Акусто оптический модулятор (AOM). SBG сигнал, проявляется как вариации интенсивности частоты fм (см. вставку), демодулируется сЗамок в усилитель (LIA) после обнаружения большой площади фотодиод (PD). Для значительных ликвидации бродячих насос отражений в фотодиода узкополосный фильтр Брэгг (BF) и атомной узкополосный фильтр (85РБ) вокруг насоса волны используются наряду с свет блокирование Ирис (I). Данные записываются на карточку сбора данных (DAQ) подключены к персональному компьютеру (ПК) для дальнейшего анализа спектра Бриллюэна. Все складывая зеркала (1M - M6) используются для спектрометра на 18'' × 24'' макет, который монтируется вертикально на оптический стол для облегчения размещения водянистые образцов. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

Примечание: если не указано иное, (i) подключить все монтирует разместить Держатели и затяните пост баз с зажимной вилкой или монтажной базы для таблицы оптики, и (ii) использование вывода лазерной полномочий 2-10 МВт для всех процедур выравнивания.

Примечание: Включите все электрические/оптоэлектронных устройств в настройках и разрешить 30 мин время прогрева до использования.

1. Подготовьте оптический зонд луча

  1. смонтировать и выровнять волокна коллиматор лазера зонда.
    1. Connect ввода волокна импульсах FC/APC поляризации-поддержания волокна сплиттер (порт T FS 1) муфта волокна лазерного датчика. Подключите выход 67% волокна волокна разделителя (порт 1 FS 1) к волокна коллиматор (1 C). Прикрепите коллиматор волокна к 6-осей кинематической горы (Ø Ø x, y, Ø z, x, y, z). Поместите измеритель мощности за коллиматор волокна и увеличить мощность от лазера, регулируя x, y и z винты муфты волокна лазерной.
    2. Поворот коллиматор волокна (или оптический элемент быть выровнены) для регулировки лазера поляризации в направлении S-поляризация, которая здесь перпендикулярно плоскости таблицы оптики. Убедитесь, что лазерный луч S-поляризованных путем измерения минимальный (максимальный) лазерной передачи (отражение) через вспомогательные поляризационный splitter луча с ваттметр.
    3. Подключить две вспомогательные выравнивание ирисов в одинаковой высоты из таблицы оптики (3 ' ' в этой установки). Для распространения луча вдоль оптической оси системы и параллельно таблицы оптики эта высота следует сохранить постоянный во время выравнивания всей системы. Поместите один Ирис в таблице монтажное отверстие позади коллиматор волокна (или оптический элемент быть выровнены) на < расстояние 50 мм. Место второй Ирис в монтажное отверстие коллинеарных таблицы достаточно далеко не первый Ирис (> 300 мм).
    4. Выравнивание выходной Луч коллиматора волокна (или оптический элемент быть выровнены) вдоль оптической оси системы, регулируя x, y, Ø x и y винтами Ø кинематической горы до тех пор, пока лазерный луч концентрическое к центр обоих ирисов.
  2. Создать расширитель луча кеплеровской.
    1. Подключить объектив (L 1, f 1 = 25 мм) в фиксированной оптические горе.
    2. Подключить две вспомогательные выравнивание ирисы, следуя указаниям в разделе 1.1.3. Отрегулируйте мелко боковой позиции и угол наклона объектива так что передаваемого луча концентрические в центре обоих ирисы.
    3. Подключить второй объектив (L 2, f 2 = 50 мм) в фиксированной оптические горе. Прикрепите горе пост базы к линейной стадии поступательное, увязанные с оптической оси системы. Поместите сцену, таким образом, что объектив установлен на расстоянии f 1 + 2 f от первого объектива. Совместите линзу, как описано в 1.2.2.
    4. Место интерферометра режа за второй объектив, чтобы подтвердить, что коллимированного пучка. Перевести второй объектив вдоль оптической оси системы, до тех пор, пока интерференционных полос производится параллельно исходной линии, правили на диффузор пластину режа интерферометра.
  3. Сложить выходного пучка расширителя пучка.
    1. Маунт зеркало (1 М) в кинематической горы с шагом (Ø x) и рыскания корректировок Ø (y). Ориент зеркало, чтобы быть 45 o относительно оптической оси вдоль элементов C 1 - 1 L - L 2.
    2. Подключить две вспомогательные выравнивание ирисы, следуя указаниям в разделе 1.1.3. Отрегулируйте Ø x и y винтами Ø Маунт зеркало, пока не отраженный луч концентрический центр обоих ирисы, определяющий оптической оси системы.
  4. Настройка оптики освещение образца.
    1. Горе нулевого порядка четверти волны пластины (λ 1 / 4) в 6-осей кинематической горы (Ø Ø x, y, Ø z, x, y, z) на расстоянии приблизительно 150 мм от складывающиеся зеркала (1 M), оставляя достаточно места для размещения перед фазовые поляризатора (P), как описано в 2.7. Поворот на 45 o относительно оси быстро приносить состояние круговой поляризации фазовые.
    2. Смонтировать фокусирующей линзы (L 3, f 3 = 30 мм) в том же кинематической горы фазовые. Совместите Луч передается через объектив, следуя процедуре в 1.1.3-4.
  5. Создана коллекция оптика образца.
    1. Горе 6 осей кинематической горы (Ø Ø x, y, Ø z, x, y, z) на дифференциальных трансляционная линейной стадии на расстоянии примерно в 60 мм от фокусировки объектива (3 Л). Смонтировать нулевого порядка четверти волны пластины (λ 2 / 4) в кинематической горы. Поворот на 45 o относительно быстро оси фазовые и подтверждают, что лазерный луч S-поляризованных следуя процедуре в 1.1.2.
    2. Смонтировать коллекции объектив (L 4, 4 f = 30 мм) в то же кинематической горе фазовые. Совместите Луч передается через объектив, следуя процедуре в 1.1.3-4. Убедитесь, что луч коллимированного как описано в 1.2.4.
    3. Смонтируйте поляризационный куб splitter луча (PBS) на кинематической горы с шагом (Ø x) и рыскания корректировки Ø (y) и поместите его позади фазовые (как показано на рис. 1). Подключите два вспомогательных выравнивание ирисы, следуя указаниям в разделе 1.1.3. Отрегулируйте Ø x и y винтами Ø splitter луча Маунт пока отражение луча концентрический центр обоих ирисы, определяющий оптической оси системы.

2. Подготовьте оптического луча насоса

  1. монтировать и выровнять волокна коллиматор лазера насоса.
    1. Connect волокна усиливается порта насоса лазер волокна коллиматор (2 C). Монтировать и выровнять волокна коллиматор лазера насоса, как описано в разделе 1.1.3 - 4.
  2. Настроить насос волны для D2 rubiduim-85 F g = 3 линии поглощения.
    1. Место рубидий-85 пара клетки позади волокна коллиматор лазера насоса (2 C).
    2. Расположить вспомогательные фотоприемник позади пара ячейку для измерения передачи насоса пучка через ячейку. Соединить фотоприемник осциллографа. Пресс ' автоустановки ' кнопку на осциллограф для автоматической установки амплитуды и времени след индикация сигнала от photodetectoр.
    3. установите крупно длина волны лазера рубидия линии поглощения D2, 780.24 нм, повернув регулятор температуры на контроллере лазерный уровень, где минимальная передача света через ячейку рубидия измеряется вспомогательные фотоприемника ( Смотрите Шаг 2.2.2). Установите лазерный температуру до уровня выявленных.
    4. Подключите выход функции генератора на текущий вход модуляции лазерного контроллера насоса.
    5. Применить треугольника волна от функции генератора на текущий вход модуляции лазерного контроллера для медленно сканирования длины волны лазера через 60 pm (30 ГГц). С этой целью, нажмите ' канала выберите ' кнопку на функции генератора и выберите канал 1. Далее, нажмите ' рампа ' кнопку и затем ' непрерывной ' кнопку для установки каналов для получения сигнала треугольник. Пресс ' амплитуда ' ярлык кнопку, чтобы задать амплитуда сигнала до 2,25 Vpp (пик пик напряжения) и ' частоты/период ' ярлык кнопку, чтобы задать частоту сигнала до 5 МГц. Наконец, нажмите ' на ' кнопку, чтобы включить на канале функции генератора.
    6. Определить как можно точнее текущий уровень, который приносит волны насос D2 рубидий-85 F g = 3 линии поглощения путем измерения минимальный светопропускание через рубидия ячейки, используя вспомогательные фотоприемника (см. Шаг 2.2.2). Установите лазерный текущего выявленного уровня, повернув ручку текущей на контроллер лазерных. Удалите ячейки рубидия и вспомогательные фотоприемника. Наконец, отключите функцию генератора от текущего ввода модуляции лазерного контроллер.
  3. Горы и согласовать фильтр очистки линии лазера.
    1. Место лазерной линии очистки фильтра (отражающей Брэгг; BF) в кинематической горы с шагом (Ø x) и рыскания корректировки Ø (y) на расстоянии 250 мм от волокна коллиматор (2 C).
    2. Сила метр в оптического пути передачи (отражение) фильтра и свести к минимуму (максимизировать) мощность пучка, повернув фильтр в поле оси для соответствия входной угол Брэгг (8 o в этой установки). Тонко настроить Ø x и y винтами Ø кинематической горы оптимизировать выравнивание.
    3. Складка, луч, отраженного от фильтра обратно в направлении параллельно луча на фильтр ввода с помощью двух зеркал (M 2, 3 M) смонтированы на кинематической монтирует смолой и рыскания корректировок.
    4. Подключить две вспомогательные выравнивание ирисы, следуя указаниям в разделе 1.1.3. Отрегулируйте Ø x и y винтами Ø как зеркало монтирует до света, отраженного от второго зеркала концентрический центр обоих ирисы, определяющий оптической оси системы.
  4. Горы и выровнять Акусто оптический модулятор.
    1. Горе и выровнять объектив (f 5, L 5 = 100 мм) для фокусировки луча насоса в Акусто оптический модулятор (AOM), как описано в 1.2.2. После объектив алименты, осторожно извлеките объектив L 5 от горы до размещения AOM для того, чтобы избежать повреждения AOM.
    2. Подключить AOM на платформу 5-осей (Ø Ø x, y, x, y, z) на расстоянии приблизительно в 100 мм от фокусировки объектива (5 Л). Убедитесь, что насос распространения луча через окно вход модулятора S-поляризованные (см. 2.1.2) для оптимизации производительности модулятор.
    3. Соедините выход ВЧ модулятор драйвера к входу ВЧ модулятор, используя коаксиальный кабель 50-Ω. Включите драйвер и нажмите ' режим ' кнопку на водителя, так что Акусто оптический модулятор работает в непрерывном режиме.
    4. Место измеритель мощности за модулятора для измерения мощности первого порядка дифрагированных луч только. Отрегулируйте угол Брэгг модулятор максимизировать возможности дифрагированных пучка первого порядка, вращая модулятор в поле ось (x Ø).
      5. Finelythe
    5. репозиция фокусировки объектива (5 Л) в его горе фокусировки луча насоса в модулятор и достичь желаемого быстрое падение/подъем время (10 НС для ~ 50 мкм луч диаметром фокус в этой установки). Настройка x, y, z, Ø x и Ø y винты монтажной платформы модулятора максимизировать возможности первого порядка дифрагированных луча.
    6. Сложить пучка на модулятора в направлении параллельно луча на входе модулятор, используя два зеркала (4 M, 5 M) смонтированы на кинематической монтирует с тангажа (Ø x) и корректировок рыскания Ø (y) описано в 2.3.3-4.
    7. Гора и выровнять второй объектив (f 6 L 6 = 200 мм) на расстоянии f 5 + 6 f от фокусировки объектива в модулятор, вход для collimate модулированных насос луч, как описано в 1.2.3-4. Этот объектив вместе с упором объектив в форме ввода модулятор кеплеровской расширитель луча для насоса луч, соответствующий насос и зонд луч диаметром до упором на образце (S).
  5. Настройка насоса P-Поляризационная оптика. Смонтируйте нулевого порядка Полуволновые пластины (λ/2) в ротации горе. Место фазовые за второй объектив расширителя пучка кеплеровской насоса луча (6 Л). Вращайте фазовые для регулировки пучка в направлении P-поляризации, которая здесь параллельна плоскости таблицы оптики. Убедитесь, что лазерный луч P-поляризованных путем измерения максимум (минимум) лазерной передачи (отражение) через вспомогательные поляризационный splitter луча с ваттметр.
  6. Раз и боков смещение луча на выходе фазовые.
    1. Маунт зеркало (6 M) в кинематической горы с шагом (Ø x) и рыскания корректировки Ø (y) на расстоянии 50 мм от Полуволновые пластины (λ/2). Прикрепите пост база кинематической горы к линейной стадии поступательное, увязанные с оптической оси системы. Ориент зеркало, чтобы быть 45 o относительно оптической оси вдоль элементов λ/2-PBS.
    2. Выровнять пучка отраженных от зеркала и поляризационные пучка сплиттер, как описано в 1.3.1-2. Убедитесь, что насос Луч передается через поляризационные splitter луча коллинеарных с оптического пути луча зонд, с помощью лазера просмотра card.
    3. Перевести зеркало 3 мм в направлении перпендикулярно оптической оси насоса зонд фокусировки линз (L 4-L 3) производить вне оси насоса освещение образца (S), который минимизирует бродячих насос размышления.
  7. Настроить насос, блокирование оптики в зонд оптического пути. Подключите линейный поляризатор (P) в ротации горе. Место поляризатор между складывающиеся зеркала (М 1) и первый фазовые (λ 1 / 4) в зонд оптического пути, приблизительно в 75 мм от каждого из этих компонентов. Вращать поляризатора для сведения к минимуму (максимизировать) передачи луча насоса (зонд).

3. Подготовьте схему для определения частоты расстройки насоса и датчика лазеры

  1. настроить волоконной оптики для зонда и насос лазеров.
    1. Connect ввода волокна 50: 50 FC/APC поляризации поддержание волокна сплиттер (порт 1 ФС 2) волокна стяжка-усиливается порта насоса лазера. Подключите выход 33% волокна волокна разделителя зонд (порт 2 FS 1) до 50%-вход волокна волокна разделителя насоса (порт 2 FS 2) с помощью спаривания рукав.
    2. Измерения оптической мощности на выход волокна 50: 50 насос волокна разделителя (порт T FS 2) с индикатором питания и убедитесь, что Общая оптическая сила < 10 МВт для предотвращения насыщения фотоприемника волокна в сочетании (УЗС). Подключите выход волокна 50: 50 насос волокна разделителя (порт T FS 2) к входу высокоскоростной волоконно сочетании фотоприемника.
  2. Напрямую соединить K штекер быстрого фотоприемник K разъем ГГц частота Микроволновая печькурс борьбе (ФК).

4. Установите вверх стимулировали Бриллюэна прибыль/убыток детектор

  1. подготовить рубидий-85 пар клеток.
    1. Обернуть весь ячейка с теплопроводящая. Оберните ленту тепла по краям клетки. Место термопара в центре ячейки для контроля температуры нагрева. Убедитесь, что термопара не прикасайтесь тепла ленты. Подключите термопара к термометр зачитать температура камеры.
    2. Обертывание всю ячейку с лентой из политетрафторэтилена провести тепла ленты и термопар в местах их и термически изолировать ячейки от окружающей среды. Оставьте конец ленты тепло беспрепятственно на обоих краях. Провод два приводит тепла ленты к 0-30 V, 5 питания постоянного тока.
    3. Горы в ячейку отражения оптического пути поляризационный splitter луча (PBS). Убедитесь, что зонд луч хитов центр ячейки.
    4. Установите диафрагму (I) перед ячейкой. Откройте радужки, так, что зонд луч может полностью пройти через. Этот Ирис помогает в минимизации бродячих насос размышления.
  2. Создана фотоприемник.
    1. Место фотоприемника (PD) позади рубидия ячейка. Фотоприемник, размещенный в алюминиевую коробку, включает в себя большой площади фотодиод и домашние RC фильтр низких частот (R = 1 kΩ, C = 0.1 МКФ), что снижает шум обратного напряжения смещения. Убедитесь, что зонд луч хитов центр фотодиод, с помощью лазера просмотра card.
    2. Подключите фотодиод катода терминала к 0-30 V, 5 источник питания постоянного тока, используя коаксиальный кабель 50 Ω. Применить обратного уклона 25 V, повернув регулятор напряжения на блоке питания, так что фотодиода эксплуатируется в светопроводящих режиме для высокой частоты обнаружения.
  3. Настроить усилитель блокировки в.
    1. Connect фотоприемник 50Ω коаксиальный фильтр нижних частот (ФНЧ) 1,9 МГц полосы пропускания, используя коаксиальный кабель 50 Ω. Соедините выход коаксиальный LPF непосредственно к входной сигнал блокировки в усилителя (LIA). Пресс ' Sig-Z в ' кнопку на замок в усилитель установить сигнал входной импеданс усилителя замок в 50Ω.
    2. Канал 1 Connect функции генератора к ссылке на ввод блокировки в усилитель с помощью коаксиального кабеля 50 Ω. Пресс ' канала выберите ' кнопку на функции генератора и выберите канал 1. Далее, нажмите ' синус ' кнопку и затем ' непрерывной ' кнопку, чтобы задать канал производить синусоидального сигнала. Пресс ' амплитуда ' ярлык кнопку, чтобы задать амплитуда сигнала до 0,7 Vpp и ' частоты/период ' ярлык кнопку, чтобы задать частоту сигнала до f m = 1.1 МГц.
    3. Канал 2 Connect функции генератора внешнему аналоговый вход драйвера акусто оптический модулятор, используя коаксиальный кабель 50 Ω. Следуйте процедуре в 4.3.2 установить 1 Vpp, f m = 1.1 МГц синусоидального сигнала на канале 2.
    4. Пресс ' на ' на функции генератора повернуть на каналах 1 и 2 и зафиксируйте их отношения этап, нажав кнопку ' выровнять фаза ' ободок кнопку на функции генератора.
    5. Переключатель ' режим ' кнопку на драйвера акусто оптический модулятор ' нормальной ' состояние. Теперь насос луча оптически модулируется f m = 1.1 МГц.

5. Окончательной подготовки системы и оптимизации производительности

  1. Настройка сбора данных исполнимых
    1. Подключить аналоговый выход микроволновой частотомер (FC) один аналоговый вход блок сбора данных (DAQ) с помощью коаксиального кабеля. Пресс ' ЦАП ', ' 1 ' и ' 0 ' кнопки на счетчик частоты, чтобы задать точность индикация частоты 10 МГц. Этот канал контролирует насоса зонд частоты расстройки.
    2. Connect ' X ' выход блокировки в усилитель (LIA) на второй аналоговый вход блок сбора данных, с помощью коаксиального кабеля. Пресс ' вывода ' кнопку ' X ' канал на замок в усилитель для того чтобы активировать канал. Использовать этот канал мониторов, стимулировали усиление Бриллюэна (SBG) уровень сигнала.
    3. Разделена на два отдельных канала с помощью разъема BNC-тройник канал вывода функции генератора. Подключите один канал на текущий вход модуляции контроллер Лазерный зонд и второй канал для третьего аналоговый входной блок данных с помощью коаксиального кабеля. Использовать этот второй канал, чтобы получить текущий сигнал модуляции лазерного датчика.
    4. Подключите USB выход блоком сбора данных к компьютеру. Написать программу в пакет программного обеспечения сбора данных для визуализации и записи выше сигналы от блок сбора данных 14.
  2. Смонтировать образца воды в камере измерения.
    1. Заливки, дом построен 500 мкм толстые стекла камеры с дистиллированной водой. Палата является включает два раунда 25 мм диаметром 0.17 мм стекла толщиной coverslips расположенных на 500 мкм толщиной политетрафторэтилена ленты.
      2. Этап
    2. горе камеры держатель на моторизованных перевод 3-оси. Поместите измерительной камеры в держатель и перевести его на совместной фокусной точки зонда и насос фокусировки линз (3 L и L 4, соответственно) с помощью моторизованного столика.
  3. Тепла клеток рубидий.
    1. Износа лазерной безопасности очки для 780 нм лазер использования. Увеличить мощность лазера насоса для получения > 250 МВт на образце, повернув ручку текущего на контроллере конические усилитель и измерения мощности перед образца с ваттметр.
    2. Набор постоянная времени блокировки в усилитель (LIA) 1 s, нажав ' урегулировать Up/Down ' кнопки блокировки в усилителе. Установите фильтр низких частот усилителя замок в-24 дБ/окт, нажав ' вверх/вниз склона фильтр ' кнопки. Равным 1 мВэфф чувствительность блокировки в усилитель, нажав ' Sens Up/Down ' кнопки. Используйте функцию фазы выровнять блокировки в усилителя для регулировки фазового сдвига между ссылкой и сигнал входы усилителя к нулю, нажав ' сдвиг ' и ' фаза ' кнопки.
    3. Следить за бродячих насос размышления, наблюдая индикацию на ' X ' канала усилителя блокировки в.
    4. Повторной волны насоса в rubiduim-85 D 2 F g = 3 линии поглощения, осторожно поворачивая текущего ручку на контроллере лазер для получения минимального бродячих насос индикация отражения на ' X ' канала усилителя блокировки в.
    5. Набор 17 V DC питания питания подключен к тепла ленты для разогрева рубидия ячейки 90 o C. Wait несколько минут, пока индикация термометр стабилизируется на температуру нужной ячейки. Примечание: Отсчетов сигнала наблюдается на ' X ' канал усилителя блокировки в должны быстро падение во время нагревания (из-за значительного увеличения поглощения клеток).
  4. Меру и оптимизировать SBG сигнал в воде.
    1. Увеличить мощность лазера зонд для получения > 10 МВт на образце, повернув ручку текущей на контроллер лазерных и измерения мощности перед образца с измеритель мощности.
    2. Крупно настроиться волны зонд для D2 rubiduim-85 F g = 3 линии поглощения, повернув регулятор температуры на контроллере Лазерный зонд и измерения минимальный лазерный уровень мощности за рубидия ячейку с индикатором питания.
    3. тонко настроить волны зонд быть длиннее, чем длина волны насоса, поворачивая ручку текущей на контроллере Лазерный зонд до > 10 МВт, приблизительно постоянной мощности лазера уровни измеряются позади рубидия ячейку с индикатором питания. Примечание: Если зонд длиной волны короче чем у насоса лазера, затем дополнительные поглощающими рубидий-85 клетки значительно уменьшить зонд мощность на выходе ячейки.
    4. Настройка частоты расстройки между насоса и датчика лазеры для соответствия Бриллюэна сдвиг воды (~ 5 ГГц), повернув ручку текущей на контроллере Лазерный зонд и наблюдения частоты расстройки показаний счетчика частоты (FC). Примечание: Для отрицательных (положительные) первого порядка дифрагированных луч, эти надписи должны быть больше (меньше), чем Бриллюэна сдвиг РФ вождения частота Акусто оптический модулятор (210 МГц в этой установки).
    5. Установить чувствительность блокировки в усилитель до 100 µVrms и настроить фазовый сдвиг между ссылкой и сигнал входы усилителя до нуля, следуя процедуре в 5.3.3.
    6. Оптимизировать эффективность пересечения лучей насоса и датчика, (i) мелко регулируя Ø x и y винтами Ø кинематической горы складывающиеся зеркала насоса луча (6 М) и (ii) слегка переводя насоса фокусировки объектива (4 L) вдоль оптической оси системы.
    7. Убедитесь, что выше сигнала надписи на ' X ' канала усилителя блокировки в результате преимущественно от увеличения сигнала SBG (а не от бродячих насос отражений), блокируя луча датчика и измерение без изменений уровня бродячих насоса размышления о ' X ' канала усилителя блокировки в.
    8. Повторить шаги 5.4.6-7 до тех пор, пока сигнал SBG достигает максимума (> 2 µVrms), сохраняя бродячих насос размышления неизменным минимального уровня.

6. Измерять и анализировать спектр SBG

  1. создать калибровочной кривой зонд модуляции текущего против насоса зонд частоты расстройки.
    1. Установка частоты расстройки между насоса и датчика лазеры до 5 ГГц (вокруг Бриллюэна смещение воды), повернув ручку текущей на контроллере Лазерный зонд.
    2. Пресс ' RES ' и ' 5 ' кнопки на микроволновой частотомер (FC), чтобы установить ворота время до 1 мс, обеспечивая интервал выборки 100 мс между последовательными частоты расстройки измерений. Применить треугольника волна на текущий вход модуляции контроллера Лазерный зонд, следуя процедуре в 2.2.5 с параметры сигнала амплитудой и частотой 150 mVpp и 50 МГц, соответственно. Это позволит постепенно сканировать зонд волны (и следовательно насоса зонд частоты расстройки) через 2 GHz.
    3. Равным 100 образцов/s/канал дискретизации блок сбора данных (DAQ) и запись насос зонд частоты расстройки и зонд лазерной модуляции текущие сигналы от блока сбора данных для 20 s (более 4-6 ГГц) с использованием данных, написанных дома приобретение программы.
    4. Загрузить данные измерений в вычислительной программы. Установите насос зонд частоты отстройки данных с линейной моделью. Обратите внимание, что это также можно использовать Полиномиальные подходят более высокого порядка (из-за нелинейности насоса зонд частоты расстройки измерения). Подходят также текущие данные зонда модуляции лазера с линейной моделью.
    5. Генерировать калибровочной кривой, сохраняя в вычислительной программы насоса зонд частоты расстройки подходят как функция модуляции зонд текущего подходят примеры.
  2. Измерения спектра SBG на высокой скорости.
    1. Маунт под тест (S), например, дистиллированную воду, используемых в экспериментах, как описано в разделе 5.2.1 - 2. Повторите шаги 5.4.1 - 8.
    2. Установите постоянная времени блокировки в усилитель (LIA) ≥ 100 МКС, нажав ' урегулировать Up/Down ' кнопки блокировки в усилителе. Применить треугольника волна на текущий вход модуляции контроллера Лазерный зонд, следуя процедуре в 2.2.5 с параметры сигнала амплитудой и частотой 150 mVpp и 50 Гц соответственно. Это позволит быстро сканировать зонд волны (и следовательно насоса зонд частоты расстройки) через 2 GHz.
    3. Задать частоту выборки блок сбора данных (DAQ) ≤ 100 000 образцов/s/канал и запись SBG и зонд лазерной модуляции текущие сигналы от блок сбора данных для ≥ 10 мс (более 4-6 ГГц) с использованием данных, написанных дома приобретение программы.
  3. Визуализировать и анализировать спектр SBG.
    1. Нагрузки, данные измерения записаны в 6.2.6 вычислительной программы.
    2. Преобразования измеренных зонд лазерной модуляции текущие значения в насос зонд частоты расстройки значения путем выявления этих ценностей в калибровочной кривой, хранящиеся в 6.1.5.
    3. Вычесть средний шум слово от спектра и визуализировать SBG спектра путем построения SBG измерения против насоса зонд частоты расстройки значения.
    4. Fit спектра с псевдоримановом кривой. Для первоначального угадать псевдоримановом параметров, используйте амплитуды, частоты позиции и полной ширины на половину высшей точки спектра.
    5. Вычисления Бриллюэна shift и linewidth испытуемого образца, получая частоты положение максимума и полной ширины на половину максимум псевдоримановом fit, соответственно.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

2b цифры и 3b дисплей типичные точки SBG спектры дистиллированной воды и липидов эмульсия ткани, Фантом образцы (с 2,25 рассеяния события и коэффициент затухания 45 см-1) измеряется в течение 10 мс и 100 мс, соответственно. Для сравнения, мы измерили SBG спектры в 10 s, как показано в цифры 2a и 3a. В этих измерений, рубидий-85 пар клеток был нагрет до 90 ° C для ослабления бродячих насос размышления на ~ 10

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Системы, показанный на рисунке 1, был разработан будет построен на макет 18'' x 24'', который может быть установлен вертикально на таблицы оптики, облегчение размещения водянистые образцов. В результате важно для сильно затяните все оптические и механические элементы и обеспечить коллинеарных и концентрических с различными элементами до освещение образца в геометрии-оси насоса и датчика балки.

Трудности в соблюдении стимулировали Бриллюэна получить сигнал может возникнуть из-з...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Авторы не имеют ничего сообщать.

Благодарности

IR признательна Фонду Azrieli для PhD стипендия.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Головка и контроллер зондового диодноголазера Toptica PhotonicsSYST DL-100-DFBКоличество: 1
Накачка усиленного диодного лазера и контроллераToptica PhotonicsSYST TA-pro-DFBКоличество: 1
FC/APC оптоволоконная док-станцияToptica PhotonicsFiberDock Количество: 3
Высокомощный одномодовый патчкорд с сохранением поляризации FC/APCToptica PhotonicsOE-000796Количество: 1
FC/APC оптоволоконная коллимация с регулируемой коллимационной оптикойToptica PhotonicsFiberOutКоличество: 1
FC/APC волоконный фиксированный коллиматорOZ OpticsHPUCO-33A-780-P-6.1-ASКоличество: 1
Одномодовый волоконный разветвитель с сохранением поляризации 33:67OZ ОптикаFOBS-12P-111-4/125-PPP-780-67/33-40-3A3A3A-3-1Количество: 1
Одномодовый волоконный сплиттер с поддержанием поляризации 50:50OZ ОптикаFOBS-12P-111-4/125-PPP-780-50/50-40-3S3A3A-3-1Количество: 1
f=25 мм, Ø 1/2" ахроматический дублет, резьбовое крепление SM05, ARC: 650-1050 нмThorlabsAC127-025-B-MLКоличество: 1
f=30 мм, ø 1-дюймовый ахроматический дублет, резьбовое крепление SM1, ARC: 650-1050 нмThorlabsAC254-30-B-MLКоличество: 2
f=50 мм, Ø 1" Ахроматический дублет, резьбовое крепление SM1, ARC: 650-1050 нмThorlabsAC254-50-B-MLКоличество: 1
f=100 мм, Ø 1" Ахроматический дублет, резьбовое крепление SM1, ARC: 650-1050 нмThorlabs AC254-100-B-MLКоличество: 1
f=200 мм, Ø 1-дюймовый ахроматический дублет, резьбовое крепление SM1, ARC: 650-1050 нмThorlabs AC254-200-B-MLКоличество: 1
ø Широкополосное диэлектрическое зеркало 1/2", 750-1100 нмThorlabs BB05-E03Количество: 4
ø 1-дюймовое широкополосное диэлектрическое зеркало, 750-1100 нмThorlabs BB1-E03Количество: 2
1-дюймовый поляризационный куб светоделителя, 780 нмThorlabs PBS25-780Количество: 1
ø 1" Линейный поляризатор с защитными окнами N-BK7, 600-1100 нмThorlabs LPNIRE100-BКоличество: 1
Интерферометр сдвига с диаметром луча 1-3 мм Срезанная пластинаThorlabsSI035Количество: 1
6-осевая блокировка кинематического оптического крепленияThorlabs K6XSКоличество: 4
Компактная пятиосевая платформаThorlabs PY005Количество: 1
Монтажный адаптер на пьедестале для 5-осевой платформыThorlabs PY005A2Количество: 1
Polaris low drift Ø 1/2" кинематическое крепление для зеркала, 3 регулятораThorlabs POLARIS-K05Количество: 4
Крепление объектива для & Oslash; 1" оптикаThorlabs LMR1Количество: 5
Адаптер с внешней резьбой SM1 и внутренней резьбой SM05, толщина 0,40 дюймаThorlabs SM1A6TКоличество: 1
Поворотное крепление для Ø 1" оптикаThorlabs RSP1Количество: 2
1" кинематическая призмакрепление Thorlabs KM100PMКоличество: 1
градуированная кольцевая ирисовая диафрагма SM1Thorlabs SM1D12CКоличество: 1
установленная на стойке ирисовая диафрагма, Ø Максимальная апертура 12,0 ммThorlabsID12Количество: 2
1/2" столик для перевода со стандартным микрометромThorlabsMT1Количество: 3
Ø 1" Столб столба на пьедестале, 8-32 нажатия, L = 1"ThorlabsRS1P8EКоличество: 1
Ø 1" Столб столба на пьедестале, 8-32 нажатия, L = 1.5"ThorlabsRS1.5P8EКоличество: 2
Ø 1" Столб на пьедестале, 8-32 нажатия, L = 2"ThorlabsRS2P8EКоличество: 4
Ø 1" Столб столба на пьедестале, 8-32 нажатия, L = 2.5"ThorlabsRS2.5P8EКоличество: 1
Ø 1" Стойка на пьедестале, 8-32 метчика, L = 3"ThorlabsRS3P8EКоличество: 4
Короткая зажимная вилкаThorlabsCF125Количество: 12
Монтажное основаниеThorlabsBA1SКоличество: 8
Большой V-образный зажим с зажимным рычагом PM4, длиной 2,5 дюйма, ImperialThorlabsVC3CКоличество: 1
& Ослаш; 1/2" Держатель столба, подпружиненный винт с накатанной головкой с шестигранной головкой, L = 1"ThorlabsPH1Количество: 2
Ø 1/2" Держатель столба, подпружиненный винт с накатанной головкой с наплавной головкой, L = 1.5"ThorlabsPH1.5Количество: 2
Ø 1/2" Держатель столба, подпружиненный винт с накатанной головкой с шестигранной головкой, L = 2"ThorlabsPH2Количество: 6
Ø 1/2" Оптический штифт, SS, 8-32 установочный винт, 1/4"-20 метчик, L = 1"ThorlabsTR1Количество: 2
Ø 1/2" Оптический штифт, SS, 8-32 установочный винт, 1/4"-20 метчик, L = 1.5"ThorlabsTR1.5Количество: 2
Ø 1/2" Оптический штифт, SS, 8-32 установочный винт, 1/4"-20 метчик, L = 2"ThorlabsTR2Количество: 6
Алюминиевая макетная плата 18" x 24" x 1/2", 1/4"-20 метчиковThorlabsMB1824Количество: 1
12" Вертикальный кронштейн для макетных плат, 1/4"-20 отверстий, 1 штThorlabsVB01Количество: 2
фотодиода Si, 40 нс Время нарастания, 400 - 1100 нм, активная площадь 10 мм x 10 ммThorlabs FDS1010Количество: 1
Волновая пластина, нулевой порядок, 1/4 волна 780 нмTower OpticsZ-17.5-A-.250-B-780Количество: 2
Волновая пластина, нулевой порядок, 1/2 волна 780 нмTower OpticsZ-17.5-A-.500-B-780Количество: 1
Сверхскоростной фотоприемник с волоконной связьюNewport1434Количество: 1
Стабилизатор оптическое крепление для мировNewportU100-G2H ULTIMAКоличество: 3
линейных столика с диапазоном хода 25 ммNewport  М-423 Количество: 1
Блокируемый дифференциальный микрометр, 25 мм грубый, 0,2 мм мелкий, 11 фунтов. НагрузкаNewport  DM-25LКоличество: 1
Линейный столик с двигателем XYZПрикладные научные приборыLS-50Количество: 3
Контроллер ступенейПрикладные научные приборыMS-2000Количество: 1
Держатель для образцовСамодельныйпользовательский количество: 1
спектроскопическая ячейка из плавленого кремнезема рубидия 85 с плоскими окнами с антибликовым покрытием, длина 150 мм, диаметр 25 ммФотоника ТехнологииSC-RB85-25x150-Q-ARКоличество: 1
Теплопроводящая прокладка 300 мм x 300 ммBERGQUISTQ3AC 300MMX300MM SHEETКоличество: 1
Тепловая лента 0,15 мм x 2,5  мм x 5 м, 4.29  W/mKANTHAL8908271Количество: 1
Политетрафторэтиленовая лента 1/2'' x 12 мТефлоновая лентаR.G.DКоличество: 1
Отражающий полосовой фильтр БрэггаOptiGrateSPC-780Количество: 1
Высокочастотный аустооптический модуляторGooch and Housego15210Количество: 1
Оптический модулятор Aousto RF драйвер, частота: 210 МГц Gooch and HousegoMHP210-1ADS2-A1Количество: 1
Высокочастотный синхронный усилитель Stanford ResearchSystems SR844Количество: 1
ЧастотомерФазовая матрицаEIP 578BКоличество: 1
Генератор произвольной формыTektronixAFG2021 Количество: 2
Модуль сбора данных (DAQ)National InstrumentsNI USB-6212 BNCКоличество: 1
Программное обеспечение для сбора данных (DAQ) NationalInstruments LabVIEW 2014Количество: 1
Регулируемый источник питания постоянного тока  двойной 0-30 В 5AMEILIMCH-305D-IIКоличество: 1
ТермопараMRCTP-01Количество: 1
ТермометрMRCTM-5007Количество: 1
Коаксиальный фильтр нижних частот DC-1.9 МГцМини-схемыBLP-1.9+Количество: 1
20% липидная эмульсияSigma-AldrichI141-100mlКоличество: 1
круглая 25 мм диаметр покровного стекла толщина: 1 #Menzel Glaser150285Количество: 1
Вычислительное программное обеспечение MathWorksMATLAB 2015a
.

Ссылки

  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).
  2. Palombo, F., Madami, M., Stone, N., Fioretto, D. Mechanical mapping with chemical specificity by confocal Brillouin and Raman microscopy. Analyst. 139 (4), 729-733 (2014).
  3. Scarcelli, G., Yun, S. H. In vivo Brillouin optical microscopy of the human eye. Opt. Exp. 20 (8), 9197-9202 (2012).
  4. Scarcelli, G., et al. Noncontact three-dimensional mapping of intracellular hydromechanical properties by Brillouin microscopy. Nat. Methods. 12 (12), 1132-1134 (2015).
  5. Traverso, A. J., Thompson, J. V., Steelman, Z. A., Meng, Z., Scully, M. O., Yakovlev, V. V. Dual Raman-Brillouin microscope for chemical and mechanical characterization and imaging. Anal. Chem. 87 (15), 7519-7523 (2015).
  6. Antonacci, G., Foreman, M. R., Paterson, C., Török, P. Spectral broadening in Brillouin imaging. Appl. Phys. Lett. 103 (22), 221105(2013).
  7. Antonacci, G., et al. Quantification of plaque stiffness by Brillouin microscopy in experimental thin cap fibroatheroma. J. R. Soc. Interface. 12 (112), 20150483(2015).
  8. Grubbs, W. T., MacPhail, R. A. High resolution stimulated Brillouin gain spectrometer. Rev. Sci. Instrum. 65 (1), 34-41 (1994).
  9. Ballmann, C. W., Thompson, J. V., Traverso, A. J., Meng, Z., Scully, M. O., Yakovlev, V. V. Stimulated Brillouin scattering microscopic imaging. Sci Rep. 5, 18139(2015).
  10. Remer, I., Bilenca, A. Background-free Brillouin spectroscopy in scattering media at 780 nm via stimulated Brillouin scattering. Opt. Lett. 41 (5), 926-929 (2016).
  11. Remer, I., Bilenca, A. High-speed stimulated Brillouin scattering spectroscopy at 780 nm. APL Photonics. 1 (6), 061301(2016).
  12. She, C. Y., Moosmüller, H., Herring, G. C. Coherent light scattering spectroscopy for supersonic flow measurements. Appl. Phys. B-Lasers O. 46 (4), 283-297 (1988).
  13. Fiore, A., Zhang, j, Peng Shao,, Yun, S. H., Scarcelli, G. High-extinction virtually imaged phased array-based Brillouin spectroscopy of turbid biological media. Appl. Phys. Lett. 108 (20), 203701(2016).
  14. Taking a Measurement with Your Computer. , Available from: http://www.ni.com/webcast/1673/en (2014).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Похожие статьи