Alta velocidad Espectrómetro Sub-GHz para el Análisis de Dispersión de Brillouin
Summary
Aquí se presenta un protocolo para construir un espectrómetro de Brillouin rápida. Cascading gama fase prácticamente fotografiado (VIPA) etalones alcanzar una velocidad de medición de más de 1.000 veces más rápido que el escaneo tradicional espectrómetros de Fabry-Perot. Esta mejora proporciona los medios para el análisis de Brillouin de biomateriales de tejido y a bajas niveles de potencia in vivo.
Abstract
El objetivo de este protocolo es construir una gran extinción paralelo y de alta resolución de Brillouin óptica espectrómetro. Espectroscopia de Brillouin es un método de medición sin contacto que se puede utilizar para obtener lecturas directas de las propiedades del material viscoelástico. Ha sido una herramienta útil en la caracterización de materiales, monitoreo estructural y detección del medio ambiente. En el pasado, la espectroscopia de Brillouin ha empleado generalmente de escaneo etalones Fabry-Perot para realizar el análisis espectral. Este proceso requiere alta potencia de iluminación y largos tiempos de adquisición, por lo que la técnica inadecuada para aplicaciones biomédicas. Un espectrómetro de novela recientemente introducida supera este desafío mediante el empleo de dos VIPAs en una configuración de eje transversal. Esta innovación permite el análisis espectral sub-Gigahertz (GHz) de resolución con el tiempo de adquisición de menos de un segundo y el poder de iluminación dentro de los límites de seguridad de tejido biológico. Las múltiples nuevas aplicaciones facilitados por esta mejora son currently están estudiando en la investigación biológica y la aplicación clínica.
Introduction
Dispersión de Brillouin, descrita por primera vez por Leon Brillouin 1 en 1922, es la dispersión inelástica de la luz de los modos acústicos térmicas en un sólido y de las fluctuaciones de densidad térmicas en un líquido o gas. El desplazamiento espectral de la luz dispersa, por lo general en la sub-GHz gama, proporciona información acerca de la interacción entre la luz incidente y los fonones acústicos en la muestra. Como resultado, puede proporcionar información útil sobre las propiedades viscoelásticas del material examinado.
En su versión espontánea, dispersión de Brillouin generalmente tiene secciones transversales en el orden de dispersión Raman, lo que resulta en una señal muy débil. Además, los cambios de frecuencia Brillouin son órdenes de magnitud más pequeña que los cambios Raman. Como consecuencia, elásticamente dispersa la luz (de Rayleigh o dispersión de Mie), la luz difusa, y back-reflexiones fuera de la muestra puede eclipsar fácilmente la firma espectral Brillouin. Por lo tanto, Un espectrómetro de Brillouin tiene que lograr no sólo sub-GHz resolución espectral, sino también un alto contraste espectral o la extinción.
En espectrómetros Brillouin tradicionales estos requisitos se cumplen por monocromadores escaneo-rejilla, métodos de batido ópticos y, más popularmente, el escaneo de paso múltiple Fabry-Perot interferómetros 2. Estos métodos miden secuencialmente cada componente espectral. Este enfoque conduce a tiempos de adquisición para un solo espectro de Brillouin van desde unos pocos minutos a varias horas, dependiendo del instrumento y en la muestra. El espectrómetro de VIPA en dos etapas, construido usando este protocolo, tiene la capacidad de recoger todos los componentes espectrales en menos de un segundo al tiempo que proporciona la extinción suficiente (> 60 dB) para reprimir eficazmente otras señales espurias 2.
La integración de los etalones VIPA es el elemento clave de este espectrómetro. Un VIPA es un etalón sólida, con tres c diferenteáreas flotante: en la superficie frontal, una tira de revestimiento antirreflectante estrecha permite que la luz entre en el VIPA, mientras que el resto de la superficie cuenta con un recubrimiento (HR) altamente reflectante; en la superficie posterior, un revestimiento parcialmente reflectante permite que una pequeña porción (~ 5%) de la luz a transmitir. Cuando se centró en la estrecha entrada del VIPA ligeramente inclinada, el haz de luz se refleja en sub-componentes con diferencia de fase fija dentro del VIPA 2. La interferencia entre los componentes sub logra la alta dispersión espectral aspirado. Alineación de dos VIPAs secuencialmente en la configuración del eje transversal introduce dispersión espectral en direcciones ortogonales 3. La dispersión espectral en direcciones ortogonales separa espacialmente los picos de Brillouin de la diafonía no deseada, lo que hace posible recoger sólo la señal de Brillouin. La Figura 1 muestra un esquema del espectrómetro de VIPA dos etapas. Las flechas debajo de los elementos ópticos indican los gradosree de la libertad en el que las etapas de traslación deben orientarse.
Figura 1. Configuración instrumental. Una fibra óptica proporciona la dispersión de Brillouin en el espectrómetro. Una lente cilíndrica C1 (f = 200 mm) enfoca la luz en la entrada de la primera VIPA (VIPA1). Otra lente cilíndrica C2 (f = 200 mm) mapea la dispersión angular espectral en una separación espacial en el plano focal de C2. En este plano, una máscara vertical se utiliza para seleccionar la parte deseada del espectro. Una configuración análoga sigue, inclinado a 90 grados. El haz pasa a través de una lente esférica S1 (f = 200 mm) y se centra en la ranura de entrada de la segunda VIPA (VIPA2). Una lente esférica S2 (f = 200 mm) crea el patrón espectralmente separadas en dos dimensiones en su plano focal, donde se coloca otra máscara horizontal. El hormáscara hori- se forma la imagen en la cámara EMCCD usando un par de lentes acromático. Por favor haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Un estudiante universitario con algunos cursos de óptica y la experiencia básica de alineación debe ser capaz de construir y utilizar este espectrómetro de dos etapas. El espectrómetro se ha demostrado recientemente para ser compatible con una variedad de sondas ópticas estándar 3,4,5 (por ejemplo, un microscopio confocal, endoscopio, oftalmoscopio con lámpara de hendidura). Aquí, el espectrómetro está conectado a un microscopio confocal. La luz láser se alinea en una investigación microscopio invertido sistema estándar después de la integración de un divisor de haz de 90:10. La luz de retrodispersión de la muestra está acoplado a una fibra monomodo, haciendo que el confocal microscopio.
Protocol
Representative Results
Discussion
Una característica clave del diseño de esta configuración es que espectrómetro de las dos etapas se pueden alinear de forma independiente. Cuando un etalón VIPA se desliza fuera de la trayectoria óptica, las lentes restantes de la etapa de formar un espectrómetro de 1: sistema de imagen 1, de modo que el patrón espectral de cada etapa se forma la imagen sobre la cámara CCD. Por lo tanto, es sencillo volver a cualquiera de las etapas para mejorar su rendimiento sin afectar a la alineación de la otra etapa. El c…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported in part by the National Institutes of Health (P41-EB015903, R21EY023043, K25EB015885), National Science of Foundation (CBET-0853773) and Human Frontier Science Program (Young Investigator Grant).
Materials
| OPTICS: | |||
| VIPA (virtual image phase array) | LIGH MACHINERY | Quantity: 2 | |
| Bundle of Three 423 Linear Stages with SM-25 Micrometers | NEWPORT | 423-MIC | Quantity: 1 |
| SS Crossed-Roller Bearing Translation Stage, 0.5 in., 8-32, 1/4-20 | NEWPORT | 9066-X | Quantity: 1 |
| Vernier Micrometer, 13 mm Travel, 9 lb Load Capacity, 50.8 TPI | NEWPORT | SM-13 | Quantity: 1 |
| Adjustable Width Slit | NEWPORT | SV-0.5 | Quantity: 2 |
| Compact Dovetail Linear Stage, 0.20 in. Z Travel, 1.57×1.57×1.38 in. | NEWPORT | DS40-Z | Quantity: 2 |
| Slotted Base Plate, 25 or 40mm to 65mm Stage, 1.1 in. Range | NEWPORT | B-2B | Quantity: 2 |
| Ø1/2" Optical Post, 8-32 Setscrew, 1/4"-20 Tap, L = 2", 5 Pack | THORLABS | TR2-P5 | Quantity: 2 |
| Ø1/2" Post Holders, Spring-Loaded Hex-Locking Thumbscrews, L = 2", 5 Pack | THORLABS | PH2-P5 | Quantity: 1 |
| Ø1/2" Post Holders, Spring-Loaded Hex-Locking Thumbscrew, L = 3", 5 Pack | THORLABS | PH3-P5 | Quantity: 1 |
| Imperial Lens Mount For 2" Optics, 8-32 Tap | THORLABS | LMR2 | Quantity: 2 |
| f=200.0 mm, Ø2" Achromatic Doublet, ARC: 400-700 nm | THORLABS | AC254-200-A | Quantity: 2 |
| Kinematic Mount for up to 1.3" (33 mm) Tall Rectangular Optics, Right Handed | THORLABS | KM100C | Quantity: 2 |
| Fixed Cylindrical Lens Mount, Max Optic Height: 1.60" (40.6 mm) | THORLABS | CH1A | Quantity: 2 |
| f = 200.00 mm, H = 30.00 mm, L = 32.0 mm, N-BK7 Plano-Convex Cylindrical Lens, Antireflection Coating: 350-700 nm | THORLABS | L1653L1-A | Quantity: 2 |
| Right-Angle Post Clamp, Fixed 90° Adapter | THORLABS | RA90 | Quantity: 1 |
| Adapter with External C-Mount Threads and Internal SM1 Threads | THORLABS | SM1A9 | Quantity: 1 |
| Studded Pedestal Base Adapter, 1/4"-20 Thread | THORLABS | PB4 | Quantity: 2 |
| Spacer, 2" x 3", 1.000" Thick | THORLABS | Ba2S7 | Quantity: 2 |
| 543 nm, f=15.01 mm, NA=0.17 FC/APC Fiber Collimation Pkg. | THORLABS | F260APC-A | Quantity: 1 |
| SM1-Threaded Adapter for Ø11 mm collimators | THORLABS | Ad11F | Quantity: 1 |
| Translating Lens Mount for Ø1" Optics, 1 Retaining Ring Included | THORLABS | LM1XY | Quantity: 1 |
| Single Mode Patch Cable, 450 – 600 nm, FC/APC, 2 m Long | THORLABS | P3-460B-FC-2 | Quantity: 1 |
| 1:1 Matched Achr. Pair, f1=30 mm, f2=30 mm, BBAR 400-700 nm | THORLABS | MAP103030-A | Quantity: 1 |
| SM1 Lens Tube…length to adjust depend on CCD, we have 3.5 inches | THORLABS | SM1LXX | Quantity: 1 |
| Base Adapters for Ø1/2" Post Holders and Ø1" Posts | THORLABS | BE1 | Quantity: 8 |
| Clamping Forks for Ø1/2" Post Holders and Ø1" Posts | THORLABS | CF125 | Quantity: 8 |
| HW-KIT5 – 4-40 Cap Screw and Hardware Kit for Mini-Series | THORLABS | HW-KIT5 | Quantity: 1 |
| D20S – Standard Iris, Ø20.0 mm Max Aperture | THORLABS | D20S | Quantity: 2 |
| FOR ENCLOSURE | |||
| 25 mm Construction Rail, L = 21" | THORLABS | XE25L21 | Quantity: 6 |
| 1" Construction Cube with Three 1/4" (M6) Counterbored Holes | THORLABS | RM1G | Quantity: 8 |
| Right-Angle Bracket for 25 mm Rails | THORLABS | XE25A90 | Quantity: 12 |
| 25 mm Construction Rail, L = 15" | THORLABS | XE25L15 | Quantity: 4 |
| 25 mm Construction Rail, L = 9" | THORLABS | XE25L09 | Quantity: 8 |
| High Performance Black Masking Tape, 2" x 60 yds. (50 mm x 55 m) Roll | THORLABS | T743-2.0 | Quantity: 1 |
| Low-Profile T-Nut, 1/4"-20 Tapped Hole, Qty: 10 | THORLABS | XE25T3 | Quantity: 1 |
| 1/4"-20 Low-Profile Channel Screws (100 Screws/Box) | THORLABS | SH25LP38 | Quantity: 1 |
| 60" (W) x 3 yds. (L) x 0.005" (T) (1.5 m x 2.7 m x 0.12 mm) Blackout Fabric | THORLABS | BK5 | Quantity: 1 |
| CAMERA, LASER and MICROSCOPE | |||
| EMCCD camera | ANDOR | iXon Ultra 897 | Quantity: 1 |
| 400 mW single mode green laser | LASER QUANTUM | torus 532 | Quantity: 1 |
| Research Inverted System Microscope | OLYMPUS | IX71 | Quantity: 1 |
References
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