Här presenterar vi ett protokoll för att bygga en snabb Brillouin spektrometer. Cascading nästan avbildade fas array (VIPA) etalons uppnå en hastighetsmätning mer än 1.000 gånger snabbare än traditionell skanning Fabry-Perot spektrometrar. Denna förbättring ger möjlighet för Brillouin analys av vävnad och biomaterial vid låga effektnivåer in vivo.
Målet med detta protokoll är att bygga en parallell hög utrotning och hög upplösning optisk Brillouin spektrometer. Brillouin-spektroskopi är en beröringsfri mätmetod som kan användas för att erhålla direkt avläsning av viskoelastiska materialegenskaper. Det har varit ett användbart verktyg i materialkarakterisering, strukturell övervakning och miljö avkänning. I det förflutna, har Brillouin spektroskopi används vanligen scanning Fabry-Perot etalons att utföra spektralanalys. Denna process kräver hög ljusstyrka effekt och långa hämtningstider, vilket gör tekniken olämplig för biomedicinska tillämpningar. En nyligen införda nya spektrometer vinner denna utmaning genom att använda två VIPAs i en tväraxelkonfiguration. Denna innovation gör sub-gigahertz (GHz) upplösning spektralanalys med sub-andra förvärv tid och belysning makt inom säkerhetsgränserna för biologisk vävnad. De många nya applikationer underlättas av denna förbättring är currently undersöks i biologisk forskning och klinisk tillämpning.
Brillouinspridning, som först beskrevs av Leon Brillouin 1 1922, är det oelastiska spridning av ljus från de termiska akustiska moder i en solid och från de termiska densitet svängningar i en vätska eller gas. Den spektrala förskjutning av det spridda ljuset, vanligen i under GHz-range, ger information om samspelet mellan det infallande ljuset och de akustiska fononer i provet. Som ett resultat, kan det ge användbar information beträffande de viskoelastiska egenskaperna hos det undersökta materialet.
I dess spontana versionen har Brillouinspridning allmänt tvärsnitt i storleksordningen Ramanspridning, vilket resulterar i en mycket svag signal. Dessutom Brillouin frekvensskift är storleksordningar mindre än Raman skift. Som en följd av elastiskt spritt ljus (från Rayleigh eller Mie spridning), ströljus och back-reflexer från provet kan alla lätt överskugga Brilloiun spektrala signatur. DärförBehöver en Brillouin spektrometer att inte bara uppnå sub-GHz spektral upplösning men också hög spektral kontrast eller utrotning.
I traditionella Brilloiun spektrometrar dessa krav uppfylls av scanning-galler monokromatorer, optiska malningsmetoder, och, mest populärt, med flera pass scanning Fabry-Perot interferometrar 2. Dessa metoder mäter varje spektralkomponent sekventiellt. Detta synsätt leder till hämtningstider för en enda Brillouin spektrum från några minuter till flera timmar, beroende på instrumentet och på provet. Tvåstegs-VIPA spektrometer, byggd med hjälp av detta protokoll, har förmågan att samla alla de spektrala komponenterna inom mindre än en sekund samtidigt som tillräcklig utrotning (> 60 dB) för att effektivt undertrycka andra falska signaler 2.
Integrationen av VIPA etalons är den viktigaste delen av denna spektrometer. En VIPA är en solid etalon med tre olika coating områden: i den främre ytan, gör en smal antireflexbehandling Remsan ljuset att komma in i VIPA, medan resten av ytan har en högreflekterande (HR) beläggning; i den bakre ytan, gör en delvis reflekterande beläggning en liten del (~ 5%) av det ljus som skall sändas. När fokuseras på den smala ingången till något lutande VIPA, får ljusstrålen som reflekteras i delkomponenter med fast fasskillnad i VIPA 2. Interferens mellan underkomponenterna uppnår eftersträvade hög spektral spridning. Justera två VIPAs sekventiellt i tväraxelkonfiguration introducerar spektral dispersion i ortogonala riktningar 3. Den spektrala spridningen i ortogonala riktningar separerar spatialt Brilloiun toppar från oönskad överhörning, vilket gör det möjligt att plocka upp bara Brillouin signalen. Figur 1 visar en schematisk bild av tvåstegs VIPA spektrometer. Pilarna under de optiska elementen indikerar degree av frihet där translationella stegen bör inriktas.
Figur 1. Instrumental inställning. En optisk fiber levererar Brillouinspridning i spektrometern. En cylindrisk lins C1 (f = 200 mm) fokuserar ljuset in i ingången till den första VIPA (VIPA1). En annan cylindrisk lins C2 (f = 200 mm) kartlägger spektrala vinkel dispersionen i en rumslig separation i fokalplan C2. I detta plan, är en vertikal mask används för att välja den önskade delen av spektrumet. En analog konfiguration följer, lutar i 90 grader. Strålen passerar genom en sfärisk lins S1 (f = 200 mm) och fokuseras i ingångsslitsen av andra VIPA (VIPA2). En sfärisk lins S2 (f = 200 mm) skapar två-dimensionell spektralt separerade mönstret i dess fokalplan, där en annan horisontell mask är placerad. Horsontal mask avbildas på EMCCD kameran med en akromatisk lins par. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
En doktorand med några optik kurser och grundläggande inriktnings erfarenhet bör kunna bygga och använda detta i två steg spektrometer. Spektrometern har nyligen visat sig vara kompatibel med en mängd olika standard optiska sönder 3,4,5 (t.ex. konfokal mikroskop, endoskop, spaltlampa oftalmoskop). Här, är spektrometern ansluten till ett konfokalmikroskop. Laserljuset är inriktad i en standard forskning inverterat systemet mikroskop efter att integrera en 90:10 stråldelare. Den bakåtspridning ljus från provet kopplas till en enkelmodfiber, vilket gör mikroskopet konfokala.
En viktig konstruktionsegenskap av denna spektrometer konfiguration är att de två stegen kan inriktas självständigt. När en VIPA etalon skjuts ut från den optiska vägen, de återstående linser av spektrometern steget bilda en 1: 1 avbildningssystem, så att den spektrala mönstret från varje steg avbildas på CCD-kameran. Därför är det enkelt att gå tillbaka till endera av stegen för att förbättra sina resultat utan att påverka inriktningen av den andra etappen. Uppsättningen translationella stadier oc…
The authors have nothing to disclose.
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).
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 |