我们描述了一种快速连续波受激布里渊散射（CW-SBS）光谱仪的构建方法。该光谱仪采用单频二极管激光器和原子蒸气陷波滤光片，能够以比现有CW-SBS光谱仪快达100倍的速度，对浑浊或非浑浊样品进行高光谱分辨率的透射光谱测量。这一改进实现了高速布里渊材料分析。
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摘要
摘要
近年来，自发布里渊光谱仪在软物质（如水溶液和生物材料）的非接触式分析中得到广泛应用，且具有快速采集的优势。本文介绍了利用受激布里渊散射（SBS）技术，在透射模式下测量水和基于脂质乳液的类组织样品的受激布里渊增益（SBG）光谱的布里渊光谱仪的组装与操作方法，其光谱分辨率优于<10 MHz，布里渊频移测量精度优于<35 MHz，测量时间小于<100 ms。该光谱仪采用两束波长为780 nm、几乎反向传播的窄线宽连续波（CW）激光器，通过扫描其频率失谐量以覆盖材料的布里渊频移范围。通过使用超窄带热铷-85蒸气陷波滤波器和相敏检测器，与现有的连续波SBS光谱仪相比，SBG信号的信噪比显著提高。这一改进使得SBG光谱的采集速度最高可提升100倍，从而实现了对软材料高速、高光谱分辨率和高精度的布里渊分析。
引言
近年来，自发布里渊光谱技术已成为对液体、真实组织、组织模拟物和生物细胞等软材料进行力学分析的一种重要方法1,2,3,4,5,6,7。在该方法中，单束激光照射样品，介质中由自发热声波引起的非弹性散射光被光谱仪收集，从而提供有关样品黏弹性特性的有用信息。自发布里渊光谱包含两个布里渊峰，分别对应材料的声学斯托克斯和反斯托克斯共振，以及一个位于激发激光频率处的瑞利峰（源于弹性散射光）。在布里渊背向散射几何构型中，布里渊频率相对于激发激光频率偏移数GHz，且具有数百MHz的谱线宽度。
尽管扫描式法布里-珀罗光谱仪一直是获取软物质自发布里渊光谱的首选系统1,2，但虚拟成像相位阵列（VIPA）光谱仪的近期技术进步已实现了显著更快（亚秒级）且具有足够光谱分辨率（亚GHz）的布里渊测量
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方案
注意：除非另有说明，（i）将所有支架连接至立柱固定座，并使用夹持叉或安装底座将立柱底座紧固在光学平台上；（ii）所有准直操作均使用 2 - 10 mW 的激光输出功率。
注意：启动实验装置中的所有电气/光电设备，并在使用前预留 30 分钟预热时间。
1. 准备探测光束光路
- 安装并校准探针激光器的光纤准直器。
- 将33:67 FC/APC保偏光纤分束器的输入光纤（FS1的T端口）连接至探针激光器的光纤耦合器。将光纤分束器的67%输出光纤（FS1的1端口）连接至光纤准直器（C1）。将光纤准直器固定在六轴运动调节架（Øx, Øy, Øz, x, y, z）上。在光纤准直器后方放置一个功率计，通过调节激光器光纤耦合器的x、y和z调节螺钉，使激光输出功率最大化。
- 旋转光纤准直器（或待校准的光学元件），将激光偏振方向调整为S偏振方向，此处S偏振方向垂直于光学平台平面。使用功率计测量激光通过辅助偏振分束器的透射率（最小）或反射率（最大），以确认激光光束为S偏振。
- 在距离光学平台相同高度（本实验中为3英寸）处安装两个辅助对准光阑。在整个系统对准过程中，若光束沿系统光轴传播且平行于光学平....
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结果
图2b 和 3b 显示典型点源 SBG 光谱的蒸馏水和脂质乳剂组织仿体样本（具有 2.25 次散射事件和 45 cm⁻¹ 的衰减系数）-1) 分别在10毫秒和100毫秒内测得。作为对比，我们测得了如图所示的10秒内的SBG光谱 图2a 和 3a. 在这些测量中，将铷-85蒸气池加热至 90 °C 用于减弱杂散泵浦反射约10倍4 并进行传递 >95% 的探针光；该水平在超过 1 小时内保持稳定11空间分辨率，此处定义为从焦点检测到的受激布里渊散射强度的横向半高全宽，估计约为 8 µm10在水和组织模拟物中，由快速采集的光谱获得的平均布里渊频移分别为 5.08 GHz 和 5.11 GHz。这些布里渊频移估计值与通过 10 秒记录光谱计算的结果以及先前发表的水性样品布里渊数据相当。9
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讨论
如图1所示，该系统设计为构建在一块18英寸×24英寸的光学面包板上，可垂直安装于光学平台上，便于放置水相样品。因此，在以离轴几何结构照射样品之前，必须牢固拧紧所有光学和机械元件，并确保泵浦光和探测光与各个元件共线且同心。
由于过强的杂散泵浦光反射可能掩盖水样微弱的受激布里渊增益信号（约10-6），导致观察受激布里渊增益信号存在困难。为解决这些潜在问题，首先应确保样品腔位于探测光和泵浦光聚焦透镜（分别为L3和L4）的共同焦点位置。随后，略微关闭置于铷原子池前的光阑（I），和/或轻微平移泵浦光束的折叠镜（M6），以进一步消除杂散泵浦光反射的检测。需注意，这些操作也会降低布里渊信号强度，但可能为检测水中受激布里渊增益信号提供更佳的起始条件。若仍无法检测到信号，可改用甲醇或二硫化碳，其布里渊增益显著强于水8,10。此外，对于非浑浊样品的测量，也可采用更厚.......
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
IR 感谢 Azrieli 基金会授予的博士奖学金。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 探头半导体二极管激光器头及控制器 | Toptica Photonics | SYST DL-100-DFB | 数量：1 |
| 泵浦放大半导体二极管激光器及控制器 | Toptica Photonics | SYST TA-pro-DFB | 数量：1 |
| FC/APC光纤对接口 | Toptica Photonics | FiberDock | 数量：3 |
| 高功率单模保偏FC/APC光纤跳线 | Toptica Photonics | OE-000796 | 数量：1 |
| 带可调准直光学元件的FC/APC光纤准直器 | Toptica Photonics | FiberOut | 数量：1 |
| FC/APC光纤固定准直器 | OZ Optics | HPUCO-33A-780-P-6.1-AS | 数量：1 |
| 单模保偏光纤分束器 33:67 | OZ Optics | FOBS-12P-111-4/125-PPP-780-67/33-40-3A3A3A-3-1 | 数量：1 |
| 单模保偏光纤分束器 50:50 | OZ Optics | FOBS-12P-111-4/125-PPP-780-50/50-40-3S3A3A-3-1 | 数量：1 |
| f=25 mm，Ø1/2"消色差双合透镜，SM05螺纹安装，增透膜范围：650-1050 nm | Thorlabs | AC127-025-B-ML | 数量：1 |
| f=30 mm，Ø1"消色差双合透镜，SM1螺纹安装，增透膜范围：650-1050 nm | Thorlabs | AC254-30-B-ML | 数量：2 |
| f=50 mm，Ø1"消色差双合透镜，SM1螺纹安装，增透膜范围：650-1050 nm | Thorlabs | AC254-50-B-ML | 数量：1 |
| f=100 mm，Ø1"消色差双合透镜，SM1螺纹安装，增透膜范围：650-1050 nm | Thorlabs | AC254-100-B-ML | 数量：1 |
| f=200 mm，Ø1"消色差双合透镜，SM1螺纹安装，增透膜范围：650-1050 nm | Thorlabs | AC254-200-B-ML | 数量：1 |
| Ø1/2"宽带介质镜，750-1100 nm | Thorlabs | BB05-E03 | 数量：4 |
| Ø1"宽带介质镜，750-1100 nm | Thorlabs | BB1-E03 | 数量：2 |
| 1"偏振分束立方体，780 nm | Thorlabs | PBS25-780 | 数量：1 |
| Ø1"带N-BK7保护窗的线性偏振片，600-1100 nm | Thorlabs | LPNIRE100-B | 数量：1 |
| 剪切干涉仪，配备1-3 mm光束直径剪切板 | Thorlabs | SI035 | 数量：1 |
| 六轴锁定运动学光学支架 | Thorlabs | K6XS | 数量：4 |
| 紧凑型五轴平台 | Thorlabs | PY005 | 数量：1 |
| 五轴平台用立柱安装适配器 | Thorlabs | PY005A2 | 数量：1 |
| Polaris低漂移Ø1/2"运动学镜架，3个调节螺钉 | Thorlabs | POLARIS-K05 | 数量：4 |
| Ø1"光学元件透镜安装座 | Thorlabs | LMR1 | 数量：5 |
| 外SM1螺纹和内SM05螺纹适配器，厚度0.40" | Thorlabs | SM1A6T | 数量：1 |
| Ø1"光学元件旋转安装座 | Thorlabs | RSP1 | 数量：2 |
| 1"运动学棱镜支架 | Thorlabs | KM100PM | 数量：1 |
| 带刻度环驱动的SM1可调光阑 | Thorlabs | SM1D12C | 数量：1 |
| 立柱安装可调光阑，最大孔径Ø12.0 mm | Thorlabs | ID12 | 数量：2 |
| 1/2"带标准千分尺的平移台 | Thorlabs | MT1 | 数量：3 |
| Ø1"立柱支柱，8-32螺纹孔，L = 1" | Thorlabs | RS1P8E | 数量：1 |
| Ø1"立柱支柱，8-32螺纹孔，L = 1.5" | Thorlabs | RS1.5P8E | 数量：2 |
| Ø1"立柱支柱，8-32螺纹孔，L = 2" | Thorlabs | RS2P8E | 数量：4 |
| Ø1"立柱支柱，8-32螺纹孔，L = 2.5" | Thorlabs | RS2.5P8E | 数量：1 |
| Ø1"立柱支柱，8-32螺纹孔，L = 3" | Thorlabs | RS3P8E | 数量：4 |
| 短型夹持叉 | Thorlabs | CF125 | 数量：12 |
| 安装底座 | Thorlabs | BA1S | 数量：8 |
| 大V型夹具，带PM4夹紧臂，2.5"长，英制 | Thorlabs | VC3C | 数量：1 |
| Ø1/2"立柱支架，弹簧加载六角锁紧手拧螺丝，L = 1" | Thorlabs | PH1 | 数量：2 |
| Ø1/2"立柱支架，弹簧加载六角锁紧手拧螺丝，L = 1.5" | Thorlabs | PH1.5 | 数量：2 |
| Ø1/2"立柱支架，弹簧加载六角锁紧手拧螺丝，L = 2" | Thorlabs | PH2 | 数量：6 |
| Ø1/2"不锈钢光学立柱，8-32紧定螺钉，1/4"-20螺纹孔，L = 1" | Thorlabs | TR1 | 数量：2 |
| Ø1/2"不锈钢光学立柱，8-32紧定螺钉，1/4"-20螺纹孔，L = 1.5" | Thorlabs | TR1.5 | 数量：2 |
| Ø1/2"不锈钢光学立柱，8-32紧定螺钉，1/4"-20螺纹孔，L = 2" | Thorlabs | TR2 | 数量：6 |
| 铝制光学平台 18" × 24" × 1/2"，1/4"-20螺纹孔 | Thorlabs | MB1824 | 数量：1 |
| 12"面包板垂直支架，1/4"-20孔，单件 | Thorlabs | VB01 | 数量：2 |
| 硅光电二极管，上升时间40 ns，响应波长400 - 1100 nm，有效面积10 mm × 10 mm | Thorlabs | FDS1010 | 数量：1 |
| 零级波片，1/4波长，780 nm | Tower Optics | Z-17.5-A-.250-B-780 | 数量：2 |
| 零级波片，1/2波长，780 nm | Tower Optics | Z-17.5-A-.500-B-780 | 数量：1 |
| 光纤耦合超高速光电探测器 | Newport | 1434 | 数量：1 |
| 万向光学镜架 | Newport | U100-G2H ULTIMA | 数量：3 |
| 行程25 mm的线性平移台 | Newport | M-423 | 数量：1 |
| 可锁差分千分尺，粗调25 mm，微调0.2 mm，负载11 lb | Newport | DM-25L | 数量：1 |
| XYZ电动线性平移台 | Applied Scientific Instrumentation | LS-50 | 数量：3 |
| 平移台控制器 | Applied Scientific Instrumentation | MS-2000 | 数量：1 |
| 样品 holder | 自制 | 定制 | 数量：1 |
| 85铷熔融石英光谱池，带平面增透膜窗口，长度150 mm，直径25 mm | Photonics Technologies | SC-RB85-25x150-Q-AR | 数量：1 |
| 导热垫 300 mm × 300 mm | BERGQUIST | Q3AC 300MMX300MM SHEET | 数量：1 |
| 加热带 0.15 mm × 2.5 mm × 5 m，4.29 W/m | KANTHAL | 8908271 | 数量：1 |
| 聚四氟乙烯胶带 1/2'' × 12 m | 特氟龙胶带 | R.G.D | 数量：1 |
| 反射式布拉格光栅带通滤波器 | OptiGrate | SPC-780 | 数量：1 |
| 高频声光调制器 | Gooch and Housego | 15210 | 数量：1 |
| 声光调制器射频驱动器，频率：210 MHz | Gooch and Housego | MHP210-1ADS2-A1 | 数量：1 |
| 高频锁相放大器 | Stanford Research Systems | SR844 | 数量：1 |
| 频率计数器 | Phase Matrix | EIP 578B | 数量：1 |
| 任意波形发生器 | Tektronix | AFG2021 | 数量：2 |
| 数据采集（DAQ）模块 | National Instruments | NI USB-6212 BNC | 数量：1 |
| 数据采集（DAQ）软件 | National Instruments | LabVIEW 2014 | 数量：1 |
| 稳压直流电源 双通道 0-30V 5A | MEILI | MCH-305D-ii | 数量：1 |
| 热电偶 | MRC | TP-01 | 数量：1 |
| 温度计 | MRC | TM-5007 | 数量：1 |
| 同轴低通滤波器 DC-1.9 MHz | Mini Circuits | BLP-1.9+ | 数量：1 |
| 20% 脂质乳剂 | Sigma-Aldrich | I141-100ml | 数量：1 |
| 圆形盖玻片，直径25 mm，厚度：1 # | Menzel Glaser | 150285 | 数量：1 |
| 计算软件 | MathWorks | MATLAB 2015a |
参考文献
- Koski, K. J., Akhenblit, P., McKiernan, K., Yarger, J. L. Non-invasive determination of the complete elastic moduli of spider silks. Nat. Mater. 12 (3), 262-267 (2013).
- Palombo, F., Madami, M., Stone, N., Fioretto, D. Mechanical mapping with chemical specificity b....
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