Summary
Qui vi presentiamo un protocollo per costruire un rapido spettrometro Brillouin. Cascading matrice di fase praticamente ripreso (VIPA) etalon raggiungere una velocità di misura più di 1.000 volte più veloce di scansione tradizionale Fabry-Perot spettrometri. Questo miglioramento fornisce i mezzi per l'analisi Brillouin del tessuto e biomateriali a bassi livelli di potenza in vivo.
Abstract
L'obiettivo di questo protocollo è quello di costruire un alto estinzione parallelo e ad alta risoluzione Brillouin ottica spettrometro. Spettroscopia Brillouin è un metodo di misurazione senza contatto che può essere utilizzato per ottenere misure dirette delle proprietà dei materiali viscoelastico. È stato uno strumento utile nella caratterizzazione materiale, monitoraggio strutturale e rilevamento ambientale. In passato, spettroscopia Brillouin ha normalmente impiegate scansione Fabry-Perot etalon per eseguire l'analisi spettrale. Questo processo richiede molta potenza illuminazione e lunghi tempi di acquisizione, rendendo la tecnica non adatto per applicazioni biomediche. Un romanzo spettrometro recentemente introdotto supera questo problema impiegando due VIPAs in una configurazione asse trasversale. Questa innovazione consente (GHz) Risoluzione analisi spettrale-Gigahertz sub con inferiori al secondo tempo di acquisizione e la potenza di illuminazione entro i limiti di sicurezza del tessuto biologico. Le nuove applicazioni multiple facilitati da questo miglioramento sono currently fase di studio nella ricerca biologica e applicazione clinica.
Introduction
Diffusione Brillouin, descritta da Leon Brillouin 1 nel 1922, è la diffusione anelastica di luce dai modi acustici termici in un solido e dalle fluttuazioni di densità termiche in un liquido o gas. Lo spostamento spettrale della luce diffusa, di solito nella gamma sub-GHz, fornisce informazioni sull'interazione tra la luce incidente e fononi acustici nel campione. Come risultato, può fornire utili informazioni riguardanti le proprietà viscoelastiche del materiale esaminato.
Nella sua versione spontanea, Brillouin ha generalmente sezioni nell'ordine dello scattering Raman, risultando in un segnale molto debole. Inoltre, spostamenti di frequenza Brillouin sono ordini di grandezza inferiore a turni Raman. Di conseguenza, elasticamente luce diffusa (da Rayleigh o di Mie scattering), la luce diffusa, e di back-riflessioni fuori del campione può facilmente oscurare la firma spettrale di Brillouin. Quindi, Uno spettrometro Brillouin deve raggiungere non solo sub-GHz risoluzione spettrale, ma anche un elevato contrasto spettrale o estinzione.
In spettrometri Brillouin tradizionali tali specifiche sono rispettate da scansione-reticolo monocromatori, metodi di battitura ottici e, più popolarmente, scansione-pass multiplo Fabry-Perot interferometri 2. Questi metodi misurano ogni componente in sequenza spettrale. Questo approccio comporta tempi di acquisizione per un singolo spettro di Brillouin da pochi minuti a diverse ore, a seconda dello strumento e sul campione. Il VIPA spettrometro a due stadi, costruito utilizzando questo protocollo, ha la capacità di raccogliere tutte le componenti spettrali in meno di un secondo, fornendo estinzione sufficiente (> 60 dB) per sopprimere efficacemente altri segnali spuri 2.
L'integrazione dei etalon VIPA è l'elemento chiave di questo spettrometro. Un VIPA è un solido etalon con tre differenti caree oating: nella superficie anteriore, una stretta striscia di rivestimento antiriflesso permette alla luce di entrare nella VIPA, mentre il resto della superficie presenta una altamente riflettente (HR) rivestimento; nella superficie posteriore, un rivestimento parzialmente riflettente consente una piccola porzione (~ 5%) della luce da trasmettere. Quando è focalizzato sullo stretto ingresso della VIPA leggermente inclinato, il fascio di luce si riflette in sotto-componenti con differenza di fase fisso all'interno della VIPA 2. Interferenza tra i sottosistemi componenti raggiunge l'elevata dispersione spettrale aspirata. Allineamento due VIPAs sequenza in configurazione trasversale asse introduce dispersione spettrale in direzioni ortogonali 3. La dispersione spettrale in direzioni ortogonali separa spazialmente i picchi di Brillouin da crosstalk indesiderati, che permette di raccogliere solo il segnale Brillouin. Figura 1 mostra uno schema del VIPA spettrometro due stadi. Le frecce sotto gli elementi ottici indicano i gradiree di libertà in cui le fasi di traslazione devono essere orientati.
Figura 1. Configurazione strumentale. Una fibra ottica trasporta lo scattering Brillouin nello spettrometro. Una lente cilindrica C1 (f = 200 mm) focalizza la luce verso l'entrata della prima VIPA (VIPA1). Un'altra lente cilindrica C2 (f = 200 mm) mappa la dispersione angolare spettrale in una separazione spaziale nel piano focale di C2. In questo piano, una maschera verticale viene utilizzato per selezionare la parte desiderata dello spettro. Una configurazione analoga segue, inclinato di 90 gradi. Il fascio passa attraverso una lente sferica S1 (f = 200 mm) e si concentra nella fessura di ingresso del secondo VIPA (VIPA2). Una lente sferica S2 (f = 200 mm) crea il pattern spettralmente separato bidimensionale nel suo piano focale, dove si trova un'altra maschera orizzontale. Il hormaschera zontale viene esposta sulla telecamera EMCCD utilizzando una coppia lente acromatica. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Uno studente universitario con alcuni corsi ottica e esperienza di base allineamento dovrebbe essere in grado di costruire e utilizzare questa due stadi spettrometro. Lo spettrometro è stato recentemente dimostrato di essere compatibile con una varietà di sonde ottici standard 3,4,5 (ad esempio, microscopio confocale, l'endoscopio, lampada a fessura oftalmoscopio). Qui, lo spettrometro è collegato ad un microscopio confocale. La luce laser è allineato in una ricerca microscopio invertito sistema standard dopo l'integrazione di un divisore di fascio 90:10. La luce di retrodiffusione dal campione è accoppiato in fibra ottica monomodale, rendendo il confocale microscopio.
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Protocol
Nota: analisi spettrale Brillouin richiede un laser monomodo longitudinale (~ 10 mW a campione). Per scopi allineamento, utilizzare una porzione fortemente attenuato del fascio laser (<0,1 mW).
1. Configurazione iniziale della fibra e la EMCCD (Electron Moltiplicato Charge Coupled Device) Camera
- Identificare circa 1.600 mm di spazio libero per l'allineamento spettrometro su un tavolo ottico.
- Montare la fotocamera EMCCD alla fine dello spazio allineamento libero.
- Utilizzare viti di fermo per fissare la fotocamera a post. Serrare i posti in post holder all'altezza dell'asse ottico desiderato. Serrare i Post Holders sul tavolo ottico con fascette di tabella.
- Accendere la fotocamera EMCCD. Essere consapevoli per evitare la saturazione della fotocamera.
- Installare il software della fotocamera sul computer di laboratorio e collegare la fotocamera al computer.
- Disattivare il guadagno e impostare il tempo di integrazione bassa (~ 0,01 sec). Avviare l'acquisizione di immagini EMCCD. Osservare l'immagine della telecameras sullo schermo del computer.
- Montare il collimatore fibra circa 1.600 mm davanti alla telecamera.
- Posizionare il collimatore fibra l'adattatore fibra collimatore.
- Montare l'adattatore su un palo. Serrare il perno nel post holder all'altezza approssimativa dell'asse ottico (altezza della telecamera). Serrare titolare del posto sul tavolo ottico con fascette di tabella.
- Allineare il fascio di uscita lungo l'asse ottico.
- Utilizzare una vite di fissaggio per collegare un iris standard per un post. Serrare il palo in un post holder.
- Posizionare l'iride di fronte al collimatore fibra (<50 mm). Regolare l'altezza del diaframma per il fascio. Spostare l'iride lungo l'asse ottico desiderato, che dovrebbe puntare direttamente nella fotocamera.
- Inserire un filtro a densità ottica subito dopo l'uscita del laser se i satura fotocamera. Con le viti di regolazione del collimatore fibra montare per allineare il fascio lungo l'asse ottico. Una volta raggiunto questo obiettivo, lafascio sarà pulito passare attraverso l'iride lungo l'intero percorso del fascio.
- Montare una coppia corrispondente lente acromatica (f = 30 mm) di fronte alla telecamera.
2. Orizzontale fase di Spectrometer
- Montare la maschera orizzontale.
- Utilizzare viti di fermo per fissare la maschera orizzontale su un post. Serrare il palo in un post holder. Montare il titolare del posto su un palco traslazionale, consentendo la maschera di scorrere orizzontalmente in e fuori dal percorso ottico. (Figura 1)
- Utilizzare viti per stringere la fase traslazionale sul tavolo ottico tale che la maschera è ripreso bruscamente sulla telecamera CCD alla distanza focale (f = 30 mm) della coppia lente acromatica.
- Montare e allineare la lente sferica S1 (f = 200 mm) 600 mm davanti maschera orizzontale.
- Utilizzare viti di fermo per montare S1 su un post holder. Serrare il palo in un post holder.
- Montare due iridi come descritto in 1.5.1. Prima Placing S1 nel percorso ottico, inserire uno prima e uno iris iris dopo la posizione desiderata S1 (600 mm di fronte alla maschera orizzontale). Regolare l'altezza delle iridi tale che il fascio passa pulito attraverso entrambi.
- Posizionare S1 600 mm davanti maschera orizzontale (Figura 1). Regolare altezza e l'inclinazione S1 finché entrambi, il riflesso indietro della lente e la trave-out proveniente, passano di netto le iridi. Serrare il titolare del posto tenendo S1 sul tavolo ottico con fascette di tabella.
- Mount VIPA2 nel piano focale della lente sferica (200 mm davanti S1).
- Montare il supporto VIPA su un post con le viti fornite con il supporto. Serrare il palo in un post holder. Serrare il titolare del posto su un palco traslazione orizzontale. (Figura 1)
- Posizionare con cura VIPA2 nel supporto VIPA con la fessura d'ingresso orientato verticalmente. (Figura 1)
- Fine-regolare la posizione of il supporto VIPA essere esattamente nel piano focale di S1. (Controllare tracciando la vita fascio con una scheda bianca.)
- Utilizzare le viti per stringere il palcoscenico traslazionale sul tavolo e scivolare ottica VIPA2 fuori del raggio con il grado di libertà del palcoscenico traslazionale.
- Montare e allineare la lente sferica S2 (f = 200 mm) 200 mm dopo la VIPA e 200 mm davanti maschera orizzontale. Seguire la procedura descritta in 2.2.1-2.2.3. Invece di montaggio del supporto del palo sul tavolo ottica, montarlo su un palcoscenico traslazionale con il suo grado di libertà orientata lungo l'asse ottico. (Figura 1) Utilizzare viti per stringere la fase traslazionale sul tavolo ottico.
- Utilizzare lo stadio traslazionale orizzontale (2.3.4) per far scorrere l'ingresso VIPA2 nel percorso ottico. Osservare le linee verticali della telecamera via.
- Fine-regolazione S2 con la fase traslazionale montato 2.4 fino alla comparsa le linee verticali dell'immagine della telecamera suacuto.
- Regolare lo spettro con il grado di inclinazione orizzontale della libertà sul supporto VIPA e lo stadio traslazionale. Utilizzare il grado orizzontale traduzione di libertà per regolare la posizione di ingresso del fascio nel etalon. Utilizzare il grado di inclinazione orizzontale di libertà per regolare l'angolo di ingresso del fascio nel etalon.
- Misurare finezza e la velocità.
- Prendete una immagine premendo F5 oppure facendo clic su "setup di acquisizione" in alto a sinistra e scegliendo l'opzione "take immagine" nel software della fotocamera.
- Fare clic destro sull'immagine e scegliere l'opzione "trama". Trascina il cursore orizzontalmente attraverso l'immagine per generare un grafico di linea. Rilasciare il cursore per osservare la trama linea generata.
- Utilizzare la trama riga per misurare la finezza. Dividere la distanza tra due picchi dalla loro larghezza a metà del massimo (FWHM). Obiettivo per> 30.
- Determinare il throughput measuring potenza con un misuratore di potenza immediatamente prima e dopo VIPA2. Obiettivo per> 50%.
- Regolare l'angolo di ingresso del fascio nel etalon con il grado di libertà sul supporto VIPA (2.6) e osservare il compromesso tra finezza e produttività.
- Se finezza e la velocità non sono soddisfacenti tornare indietro e mettere a regolare l'allineamento. Assicurarsi VIPA2 sia nel piano focale di S1. Ripetere i punti 2.3.3 -2.7.
3. Vertical Stage di Spectrometer
- Far scorrere la VIPA (VIPA2), allineati nella parte 2, fuori del raggio con il palcoscenico traslazionale (2.3.4). La fase orizzontale dello spettrometro ora comportarsi da 1: 1 sistema di imaging.
- Montare la maschera verticale.
- Utilizzare viti di fermo per fissare la maschera verticale su un post. Stringere un post in un adattatore per morsetto posto ad angolo retto. Serrare un secondo post nel adattatore angolare e metterlo in un post holder. Montare il titolare del posto su un palcoscenico verticale traslazionale, allowing la maschera di scorrere verticalmente dentro e fuori dal percorso ottico. (Figura 1)
- Utilizzare viti tappo per stringere la fase di traslazione verticale sul tavolo ottica tale che la maschera verticale è ripreso bruscamente sulla telecamera EMCCD 200 mm davanti S1.
- Montare e allineare la lente cilindrica C1 (f = 200 mm) 600 mm davanti maschera verticale.
- Avvitare il supporto lente cilindrica su un post. Serrare il palo in un post holder. Posizionare con cura C1 nel supporto della lente e serrare le viti per fissarlo.
- Montare due iridi come descritto in 1.5.1. Prima di posizionare C1 nel percorso ottico, inserire uno prima e uno iris iris dopo la posizione desiderata S1 (600 mm di fronte alla maschera verticale). Regolare l'altezza delle iridi tale che il fascio passa pulito attraverso entrambi.
- Luogo C1 600 mm davanti alla maschera verticale (figura 1). Regolare con cura l'altezza, inclinazione e posizione laterale di C1 finoentrambi, il riflesso indietro della lente e la trave-out proveniente, sono centrati sulle iridi. Stringere la partecipazione C1 titolare del posto sul tavolo ottico con fascette di tabella.
- Mount VIPA1 nel piano focale della lente cilindrica (200 mm davanti C1).
- Montare il supporto VIPA su un post con la vite fornita con il titolare. Serrare il palo in un post holder. Serrare il titolare del posto su un palco traslazione verticale. (Figura 1)
- Posizionare con cura VIPA1 nel supporto VIPA con la fessura d'ingresso orientamento orizzontale. (Figura 1)
- Fine-regolare la posizione del supporto VIPA collocare VIPA1 esattamente nel piano focale di C1. (Controllare tracciando la vita fascio con una scheda bianca.)
- Utilizzare viti tappo per stringere la fase di traslazione verticale sul tavolo ottica e far scorrere VIPA1 fuori del raggio con il grado di libertà del palcoscenico traslazionale.
- Montare e allineare lalente cilindrica C2 (f = 200 mm) 200 mm dopo VIPA1 e 200 mm davanti maschera verticale, seguendo la procedura descritta in 3.3.1-3.3.3. Invece di montaggio del supporto del palo sul tavolo ottica, montarlo su un palcoscenico traslazionale con il suo grado di libertà orientata lungo l'asse ottico. (Figura 1) Utilizzare viti per stringere la fase traslazionale sul tavolo ottico.
- Utilizzare la fase di traduzione (3.4.4) per far scorrere l'ingresso VIPA1 nel percorso ottico. Osservare le linee orizzontali della telecamera via.
- Fine-regolazione C2 con la fase traslazionale montato 3.5 fino a quando le linee orizzontali dell'immagine della telecamera sulla appaiono nitide.
- Regolare lo spettro con il grado di inclinazione verticale della libertà sul supporto VIPA e lo stadio traslazionale. Utilizzare il grado verticale traduzione di libertà per regolare la posizione di ingresso del fascio nel etalon. Utilizzare il grado di inclinazione verticale della libertà per regolare l'angolo di ingresso del fascio nel et alin data.
- Misurare finezza e la velocità.
- Seguire i passaggi 2.7.1 -2.7.2 per generare un grafico linea verticalmente attraverso un'immagine della schermata della fotocamera.
- Utilizzare la trama linea per misurare la finezza dividendo la distanza tra due linee orizzontali per la loro larghezza a metà del massimo (FWHM). Obiettivo per> 40.
- Misurare il throughput misurando la potenza con un misuratore di potenza immediatamente prima e dopo VIPA1. Obiettivo per> 30%.
- Regolare l'angolo di ingresso verticale del fascio nel etalon con il grado di inclinazione verticale di libertà sul supporto VIPA (3.7). Osservare il trade-off tra finezza e il throughput.
- Se finezza e la velocità non sono soddisfacenti tornare indietro e mettere a regolare l'allineamento. Assicurarsi VIPA1 sia nel piano focale di C1. Ripetere il passaggio 3.4.3-3.8.
4. La combinazione dei due stadi e allineamento finale
- Far scorrere in VIPA2. Osservare punti orizzontalmente e verticalmente distanziati. Questi punti dire la firma spettrale del laser a frequenza singola. Regolare le fasi di traslazione del VIPAs fino a quando i punti sono a fuoco.
- Misurare finezza e la velocità dello spettrometro.
- Seguire i passaggi 2.7.1.-2.7.2 per generare un grafico linea diagonale due dei punti laser.
- Utilizzare la trama linea per misurare finezza dividendo la distanza diagonale tra due punti dal loro larghezza a metà del massimo (FWHM). Obiettivo per> 30.
- Costruire una scatola nera per racchiudere il spettrometro.
- Utilizzare le rotaie di costruzione per costruire lo scheletro di dialogo, che dovrebbe racchiudere l'intero spettrometro dal collimatore fibra per la camera CCD (63 in x 9 x 15 in).
- Coprire lo scheletro scatola con Blackout Tessuto e nastro stretto agli angoli. Assicurarsi che le maschere e le VIPAs sono facilmente accessibili.
- Collegare la fibra ad una sonda ottica standard, come un microscopio confocale riflettanza 4. Standard p otticaabiti usati per raccogliere la luce di back-sparsi porteranno un segnale di Brillouin.
5. Misurare Shift Brillouin
- Chiudere sia il verticale e l'orizzontale maschere fino alla firma del laser scompare. Spostare le fasi di traduzione di conseguenza.
- Attivare il guadagno e aumentare il tempo di integrazione della fotocamera il più possibile senza saturare la camera EMCCD.
- Osservare lo spostamento Brillouin di un campione.
- Collocare un campione nel fuoco di un microscopio confocale (o altra sonda ottica). La risoluzione spaziale dipenderà dalla lente obiettivo utilizzato nel microscopio confocale. Utilizzare un piatto di plastica o una cuvetta per liquidi. Utilizzare Metanolo per la prima misurazione.
- Per ottimizzare il throughput spettrometro, aprire una maschera alla volta e la scansione attraverso gli ordini spettrometro inclinando il VIPA e regolando la fase di traduzione. Trova l'ordine in cui il segnale sia il più forte. Richiudere maschera fino thsegnale laser e scompare. Ripetere con l'altra maschera e VIPA (descritti in 2.6 e 3.7).
- Effettuare una misurazione del campione.
- Prendere un'immagine dello spettro seguente passo 2.7.1.
- Ottenere misurazioni di calibrazione prendendo un'immagine dello spettro di acqua e di vetro (o altro campione con nota spostamento Brillouin). Salvare l'immagine facendo clic su "file" in alto a sinistra e scegliendo l'opzione "salva con nome". Salvare l'immagine in formato ".sif" se l'analisi dei dati viene effettuata nel software della fotocamera. Salvare l'immagine in formato "tif" se l'analisi dei dati viene eseguita in un altro programma software di calcolo.
6. La calibrazione e analisi di Brillouin Spectrum
- Determinare l'intervallo libero spettrale (FSR), e il pixel EMCCD di ottica rapporto di conversione di frequenza (PR) nello spettrometro di Brillouin.
- Caricare i dati nel software della fotocamera o di un altro Computaprogramma software zionale.
- Seguire passo 2.7.2 per generare un grafico linea di tutto lo spettro delle immagini di calibrazione acqua.
- Montare i due picchi dello spettro con curve di Lorentz per determinare le posizioni di punta in termini di posizione dei pixel (P Water-S, P Acqua-AS). In alternativa, leggere le posizioni di picco manualmente prendendo il punto più alto dei picchi.
- Ripetere passaggio 6.1.2-6.1.3 con lo spettro dell'immagine calibrazione vetro.
- In alternativa a 6.1.1-6.1.4, aggiungere entrambi i frame EMCCD e montare tutti i quattro picchi in una volta. (Figura 2)
- Calcolare il PR utilizzando la formula 1. Inserire i valori per P Water-AS e P Glass-AS determinato 6.1.3 e 6.1.4. Ω vetro-AS è conosciuto per essere 29,3 GHz. In questo caso, poiché la gamma spettrale libera è solo 20 GHz che apparirà alias con lo spostamento di frequenza di 9,3 GHz. Per semplicità utilizzare 9,3 GHz per Ω Glass-AS. Utilizzare 7.46 GHz per ΩAcqua-AS.
- Calcolare il FSR con l'equazione 2. Inserire i valori per P Vetro-S, P Glass-AS e PR, calcolati in 6.16. Utilizzare 9.3 GHz per Ω Glass-AS.
Figura 2. calibrazione Spettrometro. Telaio (A), fotocamera EMCCD ottenuto dal campione di calibrazione. (B) Lorentzian curva fit (rosso) per i dati misurati (blu). Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
- Determinare lo spostamento di Brillouinun campione.
- Seguire passo 2.7.2 per generare una scansione linea attraverso lo spettro del campione.
- Montare i due picchi dello spettro con curve di Lorentz per determinare le posizioni di punta in termini di posizione dei pixel. In alternativa, leggere le posizioni di picco manualmente prendendo il punto più alto dei picchi.
- Utilizzare le seguenti equazioni 4 e 5 ei valori calcolati in precedenza per FSR e PR per calcolare lo spostamento Brillouin del campione.
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Representative Results
Figura 3 mostra spettri Brillouin rappresentativi e le loro misure per materiali diversi. I VIPAs entrambi hanno uno spessore di 5 mm, che si traduce in un FSR di circa 20 GHz. Il tempo di integrazione per queste misure era di 100 msec. 100 misure sono state prese e media. Una misurazione di calibrazione è stata presa prima di acquisire gli spettri.
Figura 3. Brillouin spettri di materiali diversi. Curva Lorentzian fit (rosso) per i dati misurati (blu). (A) spettro Brillouin di metanolo. Lo spostamento Brillouin misurata è 5.59 GHz. (B) lo spettro di Brillouin etanolo. Lo spostamento Brillouin misurato è 5,85 GHz. (C) lo spettro di Brillouin di polistirolo. Lo spostamento Brillouin misurata è 14.12 GHz.annuncio / 53468 / 53468fig3large.jpg "target =" _ blank "> Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
I turni di Brillouin ottenuti concordano con precedentemente pubblicato 3,6,7 dati. Per determinare se l'allineamento dello spettrometro è ottimale, molte misure spettrali dello stesso materiale può essere preso in sequenza, e la deviazione standard delle posizioni di picco può essere calcolato. Figura 4A mostra un tempo-traccia di 250 misurazioni Brillouin di metanolo taken sequenzialmente ; un istogramma dei turni Brillouin valutati è mostrato nella Figura 4B. Uno spettrometro ben allineato con 5 mW di luce al campione e un tempo di integrazione di 100 msec avranno una deviazione standard σ ~ 10 MHz. Le variazioni di turno Brillouin all'interno della cornea e del tessuto lente sono stati misurati per essere dell'ordine di 1 GHz 9,10,11. Pertanto, le letture di turno Brillouin con variabilità dei ≤10 MHz consentirà la misurazione delle pertinentivariazioni meccaniche nei tessuti.
Figura 4. Deviazione in campagna Brillouin oltre 250 misurazioni metanolo. (A) Time-traccia di 250 misurazioni di Brillouin di metanolo. (B) Istogramma di turno Brillouin deviazione oltre 250 misurazioni. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
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Discussion
Una caratteristica fondamentale di questa configurazione spettrometro è che le due fasi possono essere allineate in modo indipendente. Quando un etalon VIPA viene fatto scorrere fuori dal percorso ottico, i rimanenti lenti della fase spettrometro formano un 1: 1 sistema di imaging, in modo che il modello spettrale da ciascuno stadio viene esposta sulla telecamera CCD. Pertanto, è semplice tornare a uno dei due stadi per migliorare le sue prestazioni senza influenzare l'allineamento del altro stadio. La serie di fasi di traslazione e gradi di libertà suggerite nel protocollo seguono questa filosofia di mantenere la capacità di ottimizzare indipendentemente entrambe le fasi dello spettrometro.
È difficile montare i etalon VIPA tale che il grado di libertà di inclinazione ruota attorno all'asse finestra di immissione. Successivamente, quando si opera con commercialmente disponibili componenti opto-meccanici, inclinando il etalon introduce inevitabilmente un piccolo traduzione della finestra di immissione. Il translation lungo l'asse del fascio ottico non dovrebbe indurre effetti negativi a causa della grande gamma Rayleigh della lente ingresso (~ 3 mm). D'altra parte, la traduzione sul asse ortogonale alla propagazione del fascio può diminuire notevolmente il rendimento dello spettrometro. Questo è il motivo per cui la traslazione e gradi di inclinazione di libertà sul supporto VIPA devono essere gestiti in tandem per massimizzare la finezza e il throughput. Si suggerisce di avviare la procedura di allineamento con l'angolo di inclinazione relativamente elevata (~ 3-5 gradi) in modo che la luce di accoppiamento nel etalon VIPA è quasi senza perdita di dati. Poiché l'allineamento migliora, l'angolo di inclinazione può essere diminuita per migliorare la finezza. L'ottimizzazione della finezza e il volume è una parte importante del protocollo di allineamento, in particolare per applicazioni in materiali biologici in cui il tempo di integrazione e la potenza del laser deve essere mantenuto il più basso possibile.
Nel protocollo, è stato suggerito per estrarre il passaggio Brillouin da tegli analisi di due picchi spettrali, cioè le Stokes e anti-Stokes picchi da due ordini di diffrazione adiacenti. Si tratta di una procedura di intrinsecamente robusto che riduce al minimo gli artefatti dovuti alla derive di frequenza del laser, o variazioni di temperatura etalon. Tuttavia, la misura con picchi significativamente diversa spostamento spettrale può avere inconvenienti. Infatti, il procedimento di calibrazione spettrale si basa sull'ipotesi di dispersione spettrale costante attraverso il pattern spettrale. In realtà, la dispersione spettrale aumenta negli ordini inferiori di diffrazione. Di conseguenza, le regioni dello spettro che sono analizzati (cioè, i Stokes e anti-Stokes picchi da due ordini di diffrazione adiacenti) possono avere differenti dispersioni spettrali. In questo caso, la procedura di calibrazione spettrale qui scritta fornirà imprecise turni Brillouin. Si suggerisce che più materiali conosciuti di spostamento Brillouin dovrebbero essere usati in questa situazione per costruire una curva di calibrazione spettrale con adattamento polinomiale. Questo è particolarmente importante se il valore assoluto dello spostamento Brillouin deve essere confrontato piuttosto che la variazione relativa spostamento Brillouin tra due condizioni.
In genere, la finezza di etalon in spazio libero, tra cui la VIPA qui descritto, non superare ~ 50. Di conseguenza, ci sarà un compromesso da considerare tra alta risoluzione spettrale e gamma spettrale libera. In questo protocollo una gamma spettrale libera di 20 GHz è consigliato per verde (532 nm) il funzionamento del laser poiché la maggior parte dei biomateriali hanno Brillouin spostamenti inferiori a 10 GHz. Solo la metà del FSR è disponibile per l'analisi Brillouin perché il Stokes e anti-Stokes frequenza sposta più grande della metà FSR apparirà alias nello spettro.
Se si incontrano difficoltà nell'osservare segnale Brillouin, è importante riconoscere se i problemi sono legati a una quantità eccessiva di luce parassita, o un basso numero di fotoni di Brillouin. Eccessiva randagio light dovrebbero essere efficacemente eliminati. Assicurarsi che l'involucro scatola nera è a tenuta di luce. Senza campioni, accendere luci della stanza o di spegnere il laser non dovrebbe cambiare in modo significativo la fotocamera EMCCD conteggio sfondo fotone. Per eliminare la luce laser riflessa di superficie del campione, inclinare leggermente il campione, e iniziare l'osservazione con maschere spaziali chiuso il più possibile senza bloccare il segnale. Queste due procedure consentono aumentando il tempo di integrazione per consentire l'osservazione di un segnale molto debole Brillouin. Se ancora non vi è alcun segnale, è probabile che il segnale Brillouin è troppo debole. Utilizzare un altro campione con forte segnale Brillouin come metanolo, o controllare l'allineamento delle ottiche di raccolta al microscopio confocale. Dopo aver osservato con successo un segnale, di ottimizzare ulteriormente seguendo passo 5.4 descritto nel protocollo.
La perdita di luce incidente a causa di assorbimento o diffusione aumenterà il tempo di acquisizione r, facoltativo per l'analisi del campione. Di conseguenza, i risultati migliori si ottengono solitamente in materiali trasparenti o sottili. Uno spettrometro ben allineati dovrebbe essere in grado di ottenere un elevato numero di fotoni (> 1000 al picco) con 5 mW di luce campione e 100ms di tempo di integrazione per materiali liquidi o campioni di plastica trasparente. Questo è significativamente più veloce di spettrometri di scansione tradizionali. Grazie al suo basso tempo di acquisizione e il potere di illuminazione, tale spettrometro ha permesso utilizzando la spettroscopia Brillouin per imaging in vivo meccanici 3,10,11,12. Utilizzando questo tipo di spettrometro, diversi gruppi hanno dimostrato una varietà di applicazioni come misurare le proprietà reologiche della lente dell'occhio 13, rilevando meningite batterica nel fluido spinale 4, e l'analisi del modulo elastico 14 corneale.
Ulteriori miglioramenti alla spettrometro sono attesi nel prossimo futuro, soprattutto se a bassa perdita di banda ultra-sottilepass e / o filtro notch può essere incorporato a rilassare i requisiti di estinzione sulla dispersione spettrale VIPA. Poiché lo spettrometro può essere utilizzato in combinazione con una varietà di sonde ottici standard, per esempio microscopi confocali 3,4,5, endoscopi, e lampada a fessura oftalmoscopi, lo spettrometro VIPA potrebbe essere un componente, in diverse applicazioni biomediche.
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Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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, 1.57x1.57x1.38 in. | NEWPORT | DS40-Z | Quantity: 2 |
| Slotted Base Plate, 25 or 40 mm to 65 mm 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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