Высокоскоростной югу ГГц спектрометр для анализа рассеяния Бриллюэна

Общая цель данного спектрометра заключается в измерении характеристик бриллауновского рассеяния тканей и биоматериалов. Спектры бриллауновского рассеяния предоставляют бесконтактную неинвазивную информацию о свойствах материалов, таких как продольный модуль упругости. Этот метод может помочь ответить на ключевые вопросы биомеханики тканей. Например, в тканях роговицы мы можем измерить ее прочность для диагностики и лечения кератоконуса.

Основным преимуществом данного метода является возможность проведения спектрального анализа при низкой мощности светового излучения, что делает его безопасным для использования in vivo и позволяет осуществлять биологическую визуализацию. Начните с установки камеры и оптического волокна на оптической скамье. В данном случае EMCCD-камера установлена в одном конце оптического пути. Камера должна захватывать изображения и выводить их на монитор.

Примерно в 1600 миллиметрах перед камерой установите волоконный коллиматор на высоте камеры. Подключите коллиматор к лазеру с одной продольной модой.

Используйте мощность лазера менее 0.1 milliwatts и проверьте юстировку, перемещая ирисовую диафрагму вдоль выбранной оптической оси. На данной схеме представлен общий вид установки на этом этапе. Затем установите пару ахроматических линз перед камерой.

Эта подобранная пара ахроматических линз имеет фокусное расстояние 30 мм. Теперь начните добавлять элементы для горизонтального столика. Сначала установите на горизонтальный translational-столик горизонтальную маску так, чтобы ее изображение проецировалось на камеру через ахроматическую линзу.

Столик должен перемещаться перпендикулярно пути луча. Контролируйте изображение на экране компьютера, чтобы убедиться, что края четкие, как на этом фото. Перейдите к подготовке к установке сферической линзы на расстоянии 600 мм перед горизонтальной маской.

Сначала установите две диафрагмы на стойки с держателями для облегчения юстировки луча; одну диафрагму расположите между предполагаемым положением линзы и горизонтальной маской, а вторую — за предполагаемым положением линзы. Убедитесь, что высота диафрагм позволяет лучу беспрепятственно проходить через обе них.

После проверки юстировки переходите к работе со сферической линзой с фокусным расстоянием 200 мм, установленной на стойке. С помощью держателя стойки поместите линзу на расстоянии 600 мм перед горизонтальной маской между двумя ирисами и зафиксируйте держатель. Ниже представлена схема установки после размещения сферической линзы S1.

Следующим элементом, который необходимо добавить, является первая из фазовых решеток с виртуальным формированием изображения (vipa S). Для установки vipa разместите на столе горизонтальный translational stage. Примерно в 200 миллиметрах перед сферической линзой ориентируйте стейдж так, чтобы он перемещался перпендикулярно лучу; к стейджу с помощью стойки и держателя стойки прикрепите держатель vipa. Теперь возьмите vipa, которую необходимо установить.

Каждая vipa имеет входную щель, которая должна быть правильно ориентирована для данной vipa. Поместите ее в держатель vipa так, чтобы щель была ориентирована вертикально, и точно отрегулируйте положение крепления vipa, чтобы вход в vipa находился точно в фокальной плоскости сферической линзы.

Продолжите настройку, сместив VIPA из пучка. Далее подготовьтесь к установке второй сферической линзы на расстоянии 200 миллиметров перед горизонтальной маской с ирисами по обе стороны для юстировки; обратите внимание, что на схеме Vipa 2 смещена, чтобы показать, что она находится вне пути пучка. Закрепите сферическую линзу с помощью стойки на translational stage между ирисами.

Перед продолжением ориентируйте translational stage таким образом, чтобы она перемещалась вдоль оптического пути. Убедитесь, что обратное отражение от линзы беспрепятственно проходит через ирис. Также проверьте, чтобы выходящий пучок беспрепятственно проходил через ирис с противоположной стороны линзы.

Затем переместите vipa так, чтобы его входная щель SL снова находилась на пути луча. Для этого отрегулируйте положение столика перемещения, к которому он прикреплен. По мере того как свет входит в vipa, наблюдайте за вертикальными линиями на изображении с камеры на мониторе компьютера.

Перейдите к регулировке положения второй сферической линзы, наблюдая за линиями на мониторе. Точно отрегулируйте translational stage, чтобы сделать линии более четкими, и остановитесь, когда линии войдут в фокус. Затем перейдите к работе с держателем vipa.

Для настройки спектра используйте степень свободы горизонтального смещения, чтобы отрегулировать положение входа пучка в щель. Наблюдайте за изменением изображения на мониторе компьютера по мере перемещения входной щели. Кроме того, используйте степень свободы горизонтального наклона для настройки угла входа пучка в щель.

Снова контролируйте изображение на экране компьютера, чтобы оценить результаты регулировки наклона. На этом этапе настройка горизонтальной стадии спектрометра завершена. Для настройки вертикальной стадии сдвиньте vipa из луча, используя translational stage.

Затем в позиции 200 мм перед сферической линзой установите вертикальную маску, закрепленную на вертикальном translational-столике, чтобы маску можно было переместить из пути пучка. Убедитесь, что изображение вертикальной маски четко проецируется на ПЗС-камеру.

Следующим компонентом будет цилиндрическая линза. Расположите ее на расстоянии 600 мм перед вертикальной маской. Используйте держатель для установки линзы с фокусным расстоянием 200 мм между двумя ирисами.

Второй VIPA будет расположен на вертикальном стейдже перемещения в 200 миллиметрах перед цилиндрической линзой. Разместите держатель VIPA на вертикальном стейдже перемещения таким образом, чтобы VIPA можно было вывести из пути луча. С помощью стойки и держателя стойки закрепите VIPA на стейдже, стараясь точно ориентировать его входную щель по горизонтали.

Отрегулируйте положение VIPA так, чтобы она находилась точно в фокальной плоскости цилиндрической линзы. Затем переместите ее за пределы пути луча. Последним элементом является вторая цилиндрическая линза.

Разместите на расстоянии 200 millimeters перед вертикальной маской. Для этой линзы установите трансляционный столик, ориентированный вдоль оптического пути, и закрепите на столике вторую цилиндрическую линзу. Вернитесь к последнему установленному vipa vipa и переместите его обратно на путь пучка.

Используйте степень свободы вертикального перемещения для настройки положения входа пучка в al on. Наблюдайте за эффектом настройки по изображению с камеры на мониторе компьютера. Затем отрегулируйте степень свободы вертикального наклона, чтобы настроить угол входа пучка.

Следите за монитором компьютера, чтобы оценивать влияние вносимых корректировок. Теперь пришло время объединить два каскада системы. Для этого сдвиньте VIPA 2 к первой, уже установленной в оптический путь.

Отрегулируйте vipa S, наблюдая за точками, расположенными по горизонтали и вертикали. Остановите настройку монитора компьютера, когда точки спектрального профиля одночастотного лазера окажутся в фокусе. Сделайте снимок профиля с помощью программного обеспечения камеры в данной программе.

Щелкните правой кнопкой мыши по изображению и выберите опцию line plot (линейный график). Проведите курсором по диагонали через изображение, чтобы построить график. Затем отпустите курсор, чтобы просмотреть график, который будет использован для определения добротности; на данном примере графика указаны два необходимых измерения.

Сначала измерьте диагональное расстояние между двумя точками — свободный спектральный диапазон. Затем измерьте полную ширину на половине максимума. Разделите свободный спектральный диапазон на полную ширину на половине максимума и продолжайте работу, если полученное отношение превышает 30.

Вернувшись к рабочему столу, оградите спектрометр каркасом коробки, обтянутым светонепроницаемой тканью (как показано здесь на примере другой установки), прежде чем продолжить; убедитесь, что маски и vipa находятся в легком доступе. Наконец, подключите волокно к стандартному оптическому зонду. В данном случае здесь используется конфокальный микроскоп.

Для демонстрации этапов измерения сдвига Брио используется открытая установка. Сначала выберите одну из диафрагм для регулировки. В данном случае начните закрывать горизонтальную диафрагму с помощью ее микрометра.

Наблюдайте за лазерным сигналом на мониторе компьютера. Целью является блокировка лазерного сигнала, видимого по углам. Используйте стол перемещения для горизонтального центрирования маски, чтобы помочь заблокировать сигнал.

Продолжайте наблюдать за поведением лазерного сигнала на мониторе. Повторяйте действия по закрытию и перемещению маски до тех пор, пока сигнал не будет перекрыт. Затем проделайте то же самое с вертикальной маской.

После загрузки образца откройте маску вертикального столика, чтобы начать оптимизацию пропускной способности вертикального столика. Перейдите к вертикальному столику, изменяя наклон vipa в диапазоне входных углов на AL, сканируя порядки спектрометра, и остановитесь на порядке с самым четким сигналом. Снова закройте маску до тех пор, пока лазерный сигнал не исчезнет.

Повторите процесс оптимизации с горизонтальной маской и vipa перед проведением измерений. Ниже приведены спектры Бриона, измеренные для метанола, этанола и полистирола. На этих графиках измеренные данные выделены синим цветом.

Аппроксимация кривой Лиана показана красным цветом. Используемые VIPA имеют толщину пять миллиметров, что обеспечивает свободный спектральный диапазон около 20 гигагерц. Время интегрирования составило 100 миллисекунд.

Было выполнено 100 измерений, результаты которых были усреднены. Сдвиги Бриона согласуются с ранее опубликованными результатами. На данной гистограмме представлены сдвиги Бриона, полученные в ходе 250 последовательных измерений метанола.

Эти данные помогли определить, является ли юстировка спектрометра оптимальной. У правильно настроенного спектрометра при мощности света на образце 5 mW и времени интегрирования 100 ms стандартное отклонение составит около 10 MHz. При выполнении данной процедуры важно не забывать изменять настройки камеры при использовании лазерного или рассеянного света.

В противном случае камера E-M-C-C-D будет перенасыщена, что приведет к ее износу со временем. Не забывайте, что работа с лазерами может быть крайне опасной; необходимо соблюдать меры предосторожности, такие как запрет на взгляд непосредственно в лазерный луч. При выполнении данной процедуры следует всегда использовать защитные очки и проводить юстировку ниже уровня глаз.