ブリルアン散乱分析用高速サブGHzの分光
Summary
ここでは、迅速なブリルアン分光計を構築するためのプロトコルを提示します。事実上、画像化された位相配列をカスケード（VIPA）エタロンは、1,000以上の倍高速伝統的なスキャニングファブリペロー分光計より測定速度を実現。この改善は 、インビボで、低電力レベルで組織と生体材料のブリルアン分析のための手段を提供します。
Abstract
このプロトコルの目的は、並列高絶滅と高解像度光学ブリルアン分光計を構築することです。ブリルアン分光法は、粘弾性材料特性の直接読み出しを得るために使用することができる非接触測定方法です。これは、材料特性評価、構造的なモニタリングと環境センシングに有用なツールとなっています。過去には、ブリルアン分光法は、通常、スペクトル解析を実行するためのスキャンファブリペローエタロンを用いています。このプロセスは、生物医学的用途に適さない技術を作り、高い照射パワーと長い取得時間を必要とします。最近導入された新規な分光計は、交差軸構成の2つのVIPAsを用いることにより、この課題を克服します。この技術革新は、生体組織の安全限界内のサブ第2の取得時間と照明電力でサブGHz（ギガヘルツ）の分解能スペクトル解析を可能にします。この改良することによって容易に複数の新しいアプリケーションは、Cuですrrently生物学的研究および臨床応用で検討されています。
Introduction
最初の1922年にレオンブリルアン1で説明したブリルアン散乱は、固体及び液体や気体の熱密度の変動からの熱音響モードからの光の非弾性散乱です。通常、サブGHzの範囲で散乱光のスペクトルシフトは、入射光と、試料中の音響フォノンとの相互作用に関する情報を提供します。結果として、それが検査材料の粘弾性特性に関する有用な情報を提供することができます。
その自発的なバージョンでは、ブリルアン散乱は、一般的に非常に弱い信号を生じる、ラマン散乱のために、断面を有しています。また、ブリルアン周波数シフトは、ラマンシフトよりも小さい大きさのオーダーです。その結果、弾性（レイリーやミー散乱からの）散乱光、迷光、およびサンプルのオフ後方反射は、すべて簡単にブリルアンスペクトル特性を曇らせることができます。したがって、、ブリルアン分光計は、サブGHzのスペクトル分解能も高いスペクトルコントラストや絶滅を達成するだけでなく、必要があります。
伝統的なブリルアン分光器では、これらの要件は、最も一般走査格子モノクロメータ、光ビーティング法、および、マルチパススキャニングファブリペロー干渉計2によって満たされます。これらの方法は、各スペクトル成分を順次測定します。このアプローチは、機器上で、サンプルに応じて、数分から数時間に及ぶ単一のブリルアンスペクトルを取得時間につながります。二段VIPA分析計、このプロトコルを使用して構築され、効果的に他のスプリアス信号2を抑制するために十分な消光（> 60 dB）を提供しながら秒未満内のスペクトル成分のすべてを収集する能力を有します。
VIPAエタロンの統合は、この分光計の重要な要素です。 VIPAは、3つの異なるCと固体エタロンであります浮動領域は：表面の残りの部分は、高反射性（HR）コーティングを備えていながら、前面には、狭い反射防止コーティングストリップは、光がVIPAを入力することができます。裏面に、部分的に反射コーティングは、光の小さな部分（約5％）が送信されることを可能にします。少し傾いVIPAの狭い入り口上に集光すると、光ビームは、VIPA 2内の固定位相差でサブコンポーネントに反映されます。サブコンポーネント間の干渉が熱望高いスペクトル分散を実現しています。交差軸構成で順次2 VIPAsを整列させること直交方向3のスペクトル分散を紹介します。直交する方向のスペクトル分散は、空間的にのみブリルアン信号をピックアップすることが可能となり、不要なクロストークからブリルアンピークを分離します。1ディスプレイを2段VIPA分光計の模式図 。光学素子の下にある矢印は、度を示します並進ステージが指向されるべき自由のREE。
図1.インストゥルメンタルセットアップ。光ファイバは、分光計にブリルアン散乱を提供しています。円柱レンズC1（F = 200ミリメートル）は、第一VIPA（VIPA1）の入り口に光を集光します。別のシリンドリカルレンズC2（F = 200ミリメートル）はC2の焦点面で空間的に分離するにスペクトル角度分散をマッピングします。この面では、垂直マスクは、スペクトルの所望の部分を選択するために使用されます。類似の構成は、90度に傾け、次の。ビームは球面レンズS1（F = 200ミリメートル）を通過し、第二VIPA（VIPA2）の入射スリットに集光されます。球面レンズS2（F = 200 mm）を、別の水平方向のマスクが配置され、その焦点面、2次元スペクトル分離パターンを作成します。 HORizontalマスクは色消しレンズ対を用いEMCCDカメラ上に結像される。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
いくつかの光学コースと基本的な位置合わせの経験を持つ学部学生は、この二段階の分光器を構築し、使用することができるはずです。分光計は、最近、標準的な光学プローブ3,4,5（例えば、共焦点顕微鏡、内視鏡、細隙灯検眼鏡）の様々な互換性のあることが示されています。ここで、分光器は、共焦点顕微鏡に接続されています。レーザ光を90:10ビームスプリッタを統合した後、標準的な研究システム倒立顕微鏡に整列されます。サンプルからの後方散乱光は、共焦点顕微鏡を作る、単一モード光ファイバに結合されます。
Protocol
Representative Results
Discussion
この分光計の構成の重要な設計上の特徴は、二つのステージが独立して整列させることができるということです。各段階からのスペクトルパターンは、CCDカメラ上に結像されるように、1イメージングシステム：VIPAエタロンは、光路の外にスライドさせると、分光計ステージの残りのレンズは、1を形成します。したがって、他のステージの配置に影響を与えることなく、その性能を向上させ?…
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
- Brillouin, L. Diffusion de la lumiere et des rayonnes X par un corps transparent homogene; influence del’agitation thermique. Ann. Phys. (Paris) . 17, 88-122 (1922).
- Scarcelli, G., Yun, S. H. Multistage VIPA etalons for high-extinction parallel Brillouin spectroscopy. Opt. Exp. 19 (11), 10913-10922 (2011).
- Scarcelli, G. Confocal Brillouin microscopy for three-dimensional mechanical imaging. Nat. Phot. 2 (1), 39-43 (2008).
- Nichols, A. J., Evans, C. L. Video-rate Scanning Confocal Microscopy and Microendoscopy. J. Vis. Exp. (56), e3252 (2011).
- Steelman, Z., Meng, Z., Traverso, A. J., Yakovlev, V. V. Brillouin spectroscopy as a new method of screening for increased CSF total protein during bacterial meningitis. J. Biophoton. 8 (5), 1-7 (2014).
- Koski, K. J., Yarger, J. L. Brillouin imaging. Appl. Phys. Lett. 87 (6), 061903 (2005).
- Faris, G. W., Jusinski, L. E., Hickman, A. P. High-resolution stimulated Brillouin gain spectroscopy in glasses and crystals. J. Opt. Soc. Am. B. 10 (4), 587-599 (1993).
- Scarcelli, G., Yun, S. H. In vivo Brillouin optical microscopy of the human eye. Opt. Exp. 20 (8), 9197-9202 (2012).
- Scarcelli, G., Besner, S., Pineda, R., Kalout, P., Yun, S. H. In Vivo Biomechanical Mapping of Normal and Keratoconus Corneas. Jama Ophtalmol. , (2015).
- Scarcelli, G., Kim, P., Yun, S. H. In Vivo Measurement of Age-Related Stiffening in the Crystalline Lens by Brillouin Optical Microscopy. Biophys. J. 101 (6), 1539-1545 (2011).
- Antonacci, G., Foreman, M. R., Paterson, C., Török, P. Spectral broadening in Brillouin imaging. Appl. Phys. Lett. 103 (22), 221105 (2013).
- Meng, Z., Traverso, A. J., Yakovlev, V. Background clean-up in Brillouin microspectroscopy of scattering medium. Opt. Exp. 22 (5), 5410-5415 (2014).
- Reiss, S., Burau, G., Stachs, O., Guthoff, R., Stolz, H. Spatially resolved Brillouin spectroscopy to determine the rheological properties of the eye lens. Biomed. Opt. Exp. 2 (8), 2144-2159 (2011).
- Scarcelli, G., Kling, S., Quijano, E., Pineda, R., Marcos, S., Yun, S. H. Brillouin microscopy of collagen crosslinking: noncontact depth-dependent analysis of corneal elastic modulus. Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. 54 (2), 1418-1425 (2013).
