Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

ספקטרומטר פיזור מהיר ברילואן מגורה מכ לניתוח גשמי

Published: September 22, 2017 doi: 10.3791/55527
Automatic Translation
1, 1, 1,2
1Biomedical Engineering Department, Ben-Gurion University of the Negev, 2Ilse Katz Institute for Nanoscale Science and Technology, Ben-Gurion University of the Negev

Summary

אנו מתארים את בניית ספקטרומטר (CW-SBS) מהירה continuous-wave-גירוי-ברילואן-פיזור. ספקטרומטר מעסיקה בתדר יחיד דיודות-לייזר, אדי אטומי חריץ-מסנן כדי לרכוש שידור ספקטרום של דגימות עכורים/הלא-עכורים עם רזולוציה גבוהה ספקטרלי-מהירויות של עד 100-fold מהר יותר מאשר אלה של ספקטרומטרים CW-SBS הקיים. שיפור זה מאפשר ניתוח גשמי ברילואן במהירות גבוהה.

Abstract

בשנים האחרונות עדים לעליה משמעותית השימוש ספקטרומטרים ברילואן ספונטנית לניתוח ללא מגע של חומר רך, כגון פתרונות מימית, biomaterials, עם רכישת מהר פעמים. כאן, נדון ההרכבה ואת הפעולה של ספקטרומטר ברילואן המשתמשת מגורה פיזור ברילואן (SBS) כדי למדוד את מגורה ברילואן רווח (SBG) ספקטרום של השומנים והמים מבוסס-אמולסיה רקמות כמו דגימות במצב שידור עם < 10 מגה-הרץ ספקטרלי ברזולוציה, < 35 דיוק המדידה ברילואן מגה -הרץ-shift-< 100 גב ספקטרומטר מורכב משני כמעט נגד הפצת לייזרים צר-linewidth (CW) מכ-780 nm detuning תדר אשר נסרק באמצעות shift ברילואן גשמי. באמצעות מסנן חריץ אולטרה-שאיכות חם אדי רובידיום-85 וגלאי רגיש שלב, האות ל הרעש-היחס-של האות SBG מועצמת באופן משמעותי בהשוואה לזה שהושג עם ספקטרומטרים CW-SBS הקיים. שיפור זה מאפשר מדידה של SBG ספקטרה עם 100-fold עד רכישת מהר יותר פעמים, ובכך להקל גבוהה ברזולוציה ספקטרלי דיוק גבוהה ברילואן וניתוח מחומרים קלים במהירות גבוהה.

Introduction

ספקטרוסקופיה ברילואן ספונטנית הקימה, בשנים האחרונות, כמו בגישה ערך לניתוח מכאנית של חומרים רכים, כגון נוזלים, רקמות אמיתי, בפאנטומים רקמה ביולוגית תאים1,2, 3,4,5,6,7. בגישה זו, לייזר יחיד מאירה את הדגימה, אור inelastically מפוזרים מפני גלים אקוסטיים תרמי ספונטני במדיום נאסף על ידי ספקטרומטר, מתן מידע שימושי על המאפיינים viscoelastic של המדגם. הקשת ברילואן ספונטנית כוללת שתי הפסגות ברילואן סטוקס אקוסטית, סטוקס אנטי מגנטיים של החומר לשיא ריילי בתדר לייזר זרחני (עקב elastically פזורים אור). על גאומטריה backscattering ברילואן, התדרים ברילואן יוזזו על ידי מספר ג'יגה-הרץ מן התדר לייזר זרחני, יש רוחב ספקטרלי של מאות מגה-הרץ.

בזמן סריקה פאברי-פרו ספקטרומטרים כבר המערכות-של-הבחירה עבור רכישת ספונטנית ספקטרה ברילואן חומר רך1,2, ההתקדמות הטכנולוגית האחרונות ב כמעט עם תמונה מערך שלב (VIPA) ספקטרומטרים אפשרו מדידות (פחות משנייה) ברילואן מהר יותר באופן משמעותי עם נאותה ספקטרלי ברזולוציה (sub-GHz)3,4,5,6,7. פרוטוקול זה, אנו מציגים הקמת שונים, במהירות גבוהה, גבוהה ספקטרלי ברזולוציה, מדויק ברילואן ספקטרומטר המבוססת על זיהוי continuous-wave-גירוי-ברילואן-פיזור אור (CW-SBS) לבין הלא-עכורים עכורים דוגמאות בגיאומטריה פיזור כמעט האחורי.

ב CW-SBS ספקטרוסקופיה, מכ (CW) משאבת, בדיקה לייזרים, מעט detuned, תדירות, חופפים במדגם לעורר גלים אקוסטיים. כאשר ההבדל תדר בין הקורות משאבת, בדיקה תואמת של תהודה אקוסטית ספציפי של החומר, הגברה או deamplification של האות בדיקה מסופק על ידי הפסד או רווח ברילואן מגורה (SBG/ובינונית ליצירת) תהליכים, בהתאמה; אחרת, אין הגברה SBS (de) מתרחשת8,9,10,11. לפיכך, הספקטרום SBG (ובינונית ליצירת) ניתן לרכוש באמצעות סריקה לבין תדירות הלייזרים מעבר חומרים מגנטיים ברילואן וכן זיהוי העלייה (ירידה), או רווח (הפסד), בעוצמת המכשיר בשל SBS. בניגוד פיזור ברילואן ספונטנית, פיזור אלסטי רקע היא מטבעו נעדר ב SBS, הפעלת ניגודיות מצוינת ברילואן בדגימות עכורים וגם שאינם עכורים ללא הצורך ריילי דחייה מסננים כפי שנדרש VIPA ספקטרומטרים10,11,13.

אבני הבניין הראשי של ספקטרומטר CW-SBS לייזרים משאבת, בדיקה הינם הגלאי רווח/הפסד ברילואן מגורה. עבור מהירות ספקטרלי ברזולוציה גבוהה, גבוהה CW-SBS ספקטרוסקופיה, הלייזרים צריך להיות בתדר יחיד (< linewidth 10 מגה-הרץ) עם גל מספיק רחב tunability (20-30 GHz), קצב סריקה (> 200 ג'יגה-הרץ/s), תדירות יציבות לטווח ארוך (< 50 MHz/h) והרעש בעצימות נמוכה. יתר על כן, באופן ליניארי מקוטב ומוגבל עקיפה לייזר קורות עם כוחות של כמה מאות (עשרות) של mW על הדגימה נדרשים עבור קרן משאבה (בדיקה). לבסוף, הגלאי רווח/הפסד ברילואן מגורה צריך להיות מתוכנן בצורה אמינה לזהות חלש לאחור מגורה ברילואן רווח/הפסד (SBG/ובינונית ליצירת) רמות (10-5 - 10-6) חומר רך. כדי לענות על הצרכים האלה, בחרנו משוב מבוזרים (DFB) דיודת לייזר בשילוב לשמירה על-ידי קיטוב אדי סיבים יחד עם גלאי רווח/הפסד ברילואן מגורה שילוב של אולטרה-שאיכות אטומי חריץ-מסנן ותדירות גבוהה- יחיד-אפנון הנעילה מגבר כמו מאויר באיור1. ערכת זיהוי זו מכפילה את עוצמת האות SBG תוך צמצום משמעותי רעש בעוצמה בדיקה, איפה האות SBG הרצויים מוטמעים11. שימו לב כי התפקיד של אדי אטומי החריץ-המסנן בשימוש שלנו ספקטרומטר SBS תפחית באופן משמעותי את הגילוי של השתקפויות משאבת תועים לא רצויים יותר מאשר להקטין את הרקע פיזור אלסטי כמו ספקטרומטרים VIPA המאתרות את שניהם ריילי ספונטנית ו ברילואן פזורים אור. באמצעות פרוטוקול שיפורטו להלן, ספקטרומטר CW-SBS ניתן לבנות עם היכולת של רכישת שידור ספקטרום של פאנטום מים ורקמות עם רמות SBG נמוך כמו 10-6 ב < 35 דיוק המדידה ברילואן מגה -הרץ-shift ו בתוך 100 ms או פחות.

Figure 1
איור 1: מכ מגורה ברילואן פיזור (CW-SBS) ספקטרומטר. שני מכ משאבת, בדיקה דיודות לייזר (DL), תדירות detuned סביב משמרת ברילואן המדגם, נמצאים ביחד אל תוך שמירה על קיטוב סיבים במצב יחיד עם collimators C1 ו- C2, בהתאמה. ההבדל תדר המשאבה-בדיקה נמדד על ידי גילוי התדר מכות בין קורות קלופים מן לייזרים משאבת, בדיקה באמצעות ערכת מפצלי סיבים (סה) photodetector מהירה (FPD), מונה תדר (FC). קרן S-מקוטב בדיקה (אדום בהיר), התרחב השימוש Keplerian של שושנה קרן (L1 ו- L2), נכון מקוטב באופן מעגלי מאת צלחת רבע-גל (λ1/4), התמקד המדגם (S) על ידי עדשה אכרומטית (L3). עבור יעיל SBS האינטראקציה ובידוד אופטי, קרן משאבה (עמוק אדום), התרחב השימוש במותחן קרן Keplerian (L5 ו- L6), הוא קודם P-מקוטב באמצעות לוחית חצי-גל λ2/4), ואז מועברים באמצעות קיטוב קרן ספליטר (PBS), בסופו של דבר נשאר באופן מעגלי מקוטב מאת צלחת רבע-גל (λ2/4) ויש התמקדו הדגימה עם עדשה אכרומטית (L4; כמו L3). שים לב כי הקורות משאבת, בדיקה כמעט נגד להפיץ במדגם מקטב מונחה S (P) נעשה שימוש כדי למנוע את קרן משאבת מקוטב-P (יוצא λ1/4) להיכנס המכשיר לייזר. לצורך זיהוי הנעילה, קרן משאבת sinusoidally מאופנן fm עם אפנן אקוסטו אופטי (אום). האות SBG, בא לידי ביטוי בכינויו בעוצמה וריאציות בתדר fm (ראה שיבוץ), הוא מפוענח עםהנעילה מגבר (ליה) בעקבות גילוי פוטודיודה שטח גדול (PD). לחיסול משמעותי של משאבת תועה השתקפויות ב פוטודיודה, שאיכות של מסנן בראג (BF), מסנן חריץ אטומית (85RB) סביב הגל משאבת משמשים לצד עם איריס חסימת-אור (I). נתונים נרשם על-ידי כרטיס רכישה נתונים (DAQ) מחובר למחשב האישי (PC) לצורך ניתוח נוסף של הספקטרום ברילואן. כל מראות מתקפלות (ז1- M6) משמשים כדי להתאים את ספקטרומטר בממרח '× 24 ' 18 אנכית שנטענה על השולחן האופטי להקלה על המיקום של דגימות דומעות. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

הערה: אלא אם צוין אחרת, (i) לחבר כל טעינות כדי לפרסם מחזיקי והדק הבסיסים פוסט עם מזלג clamping או הרכבה בסיס השולחן האופטי ופלט (ii) השתמש לייזר סמכויות mW 2-10 עבור כל שגרות יישור.

הערה: להפעיל את כל התקני חשמל/מעגל בכיוונון ולאפשר 30 דקות של חימום לפני הזמן להשתמש.

1. הכן את רכב הגישוש קרן אופטי

  1. הר וליישר את קולימטור סיב לייזר בדיקה.
    1. התחבר סיב קלט 33:67 FC/APC קיטוב-שמירה על סיבים ספליטר (T של FS יציאה 1) כדי מחבר סיב לייזר בדיקה. לחבר סיבים 67%-פלט של המפצל סיבים (יציאה 1 של FS 1) קולימטור סיבים (ג 1). לצרף את קולימטור סיבים הר קנטית 6-צירים (x, Ø Ø y, Ø z, x, y, z). למקם את מד הכוח מאחורי קולימטור סיבים, להגדיל את כוחה של הלייזר על-ידי התאמת x, y ו- z ברגים של מחבר סיב לייזר.
    2. לסובב את קולימטור סיבים (או הרכיב האופטי ייושר) כדי להתאים את קיטוב לייזר לכיוון קיטוב S, כאן אילו ניצב למישור שולחן אופטי. לאשר קרן הלייזר הוא מקוטב-S על ידי מדידת מינימום לייזר (מכסימום) שידור (שיקוף) דרך מפצל קרן עזר מהפכנית עם מד הכוח.
    3. הר שני קשתיות יישור עזר בגובה זהה מן השולחן האופטי (3 ' ' ב תוכנית התקנה זו). עבור קרן הפצת לאורך הציר האופטי של המערכת במקביל השולחן האופטי, הגובה הזה צריך להישמר קבוע במהלך היישור של המערכת כולה. במקום אחד איריס בבור הרכבה שולחן מאחור את קולימטור סיבים (או הרכיב האופטי ייושר) בגיל < מרחק 50 מ מ. למקם את הקשתית השני חור הרכבה טבלה קוליניאריות מספיק רחוק הקשתית הראשון (> 300 מ"מ).
    4. ליישר את קרן פלט את קולימטור סיבים (או הרכיב האופטי ייושר) לאורך הציר האופטי של המערכת על-ידי התאמת x, y, Ø x ו- y Ø הברגים על הר קנטית עד קרן הלייזר קונצנטריים מרכז של שני קשתיות העין.
  2. להגדיר במותחן קרן Keplerian.
    1. הר עדשה (L 1, f 1 = 25 מ מ) ב הר אופטי קבוע.
    2. הר שני יישור עזר קשתיות באמצעות ההליך ב 1.1.3. התאימו דק את המיקום לרוחב ואת זווית הזריקה של העדשה כך קרן המשודרת היא קונצנטריים למרכז של שני קשתיות העין.
    3. הר עדשה השני (L 2, f 2 = 50 מ מ) ב הר אופטי קבוע. לצרף את ההודעה הר הבסיס שלב translational ליניארי המיושר לציר האופטי של המערכת. מקם את הבמה כך העדשה היא ממרחק של f 1 + f 2 מן העדשה הראשונה. יישר את העדשה כפי שמתואר 1.2.2.
      4. Interferometer
    4. מקום הטיית מאחורי העדשה השניה כדי לאשר כי הקרן היא ממוקדת. לתרגם את העדשה השניה לאורך הציר האופטי של המערכת עד בשולי הפרעות המיוצר מקבילים לקו ההתייחסות שלטו על צלחת מפזר ההטיה interferometer.
  3. לקפל הקורה פלט של מרחיב הקורה.
    1. הר ראי (ז 1) ב הר קנטית עם זפת (Ø x), שהסב התאמות (Ø y). אוריינט המראה יהיה 45 o ביחס לציר האופטי לאורך L 1 - L 1 - 2 אלמנטים C.
    2. הר שני יישור עזר קשתיות באמצעות ההליך ב 1.1.3. התאם Ø x ו Ø ברגים y על הר ראי עד קרן משתקף קונצנטריים למרכז הן קשתיות המגדיר את הציר האופטי של המערכת.
  4. להגדיר את המערכת האופטית תאורה מדגם.
    1. הר צו אפס רבע-גל צלחת (λ 1 / 4) ב- 6-צירים קנטית הר (x, Ø Ø y, Ø z, x, y, z) ממרחק של-150 מ מ המראה מתקפלים (ז 1), עוזב די מקום להנחה עם מקטב (P) לפני לוחית גל, כמתואר ב- 2.7. לסובב את לוחית גל מאת 45 o ביחס צירו מהר להניב מצב קיטוב מעגלי.
    2. הר עדשה התמקדות (L 3, f 3 = 30 מ מ) ב- הר קנטית זהה לוחית גל. יישר את קרן המועבר דרך העדשה באמצעות ההליך ב- 1.1.3-4.
  5. להגדיר את המערכת האופטית של אוסף של המדגם-
    1. הר 6-צירים קנטית הר (x, Ø Ø y, Ø z, x, y, z) על אבחנה מבדלת שלב translational ליניארי ממרחק של-60 מ מ התמקדות העדשה (L 3). הר צלחת רבע-גל מסדר אפס (λ 2 / 4) בההר קנטית. לסובב את לוחית גל מאת 45 o ביחס צירו מהר, ובדקו את קרן הלייזר מקוטב-S באמצעות ההליך ב 1.1.2.
    2. הר עדשה אוסף (L 4, f 4 = 30 מ מ) ב- הר קנטית זהה לוחית גל. יישר את קרן המועבר דרך העדשה באמצעות ההליך ב- 1.1.3-4. לאשר כי הקרן היא ממוקדת כפי שמתואר 1.2.4.
    3. הר קוביה קרן-ספליטר מהפכנית (PBS) אל הר קנטית עם זפת (Ø x), שהסב התאמות (Ø y) ולמקם אותו מאחורי לוחית גל (כפי שמוצג באיור 1). הר שני יישור עזר קשתיות באמצעות ההליך ב 1.1.3. התאם Ø x ו Ø ברגים y על הר קרן-מפצל עד קרן משתקף קונצנטריים למרכז הן קשתיות המגדיר את הציר האופטי של המערכת.

2. להכין את הנתיב אופטי של קרן משאבת

  1. הר וליישר את קולימטור סיב לייזר משאבת.
    1. התחבר הסיבים של היציאה מוגבר של המשאבה הלייזר לא קולימטור סיבים (ג 2). הר וליישר את קולימטור סיב לייזר משאבת כפי שמתואר 1.1.3 - 4-
  2. להתכוון הגל משאבת ל D2 rubiduim-85 F g = 3 קו קליטה.
    1. מקום תא רובידיום-85 אדי מאחורי קולימטור סיב לייזר משאבה (ג 2).
    2. ולצלם photodetector עזר מאחורי התא אדי כדי למדוד את השידור של קרן המשאבה דרך התא. חבר photodetector של תנודות. הקש ' קוצב-הזמן ' בסרגל אוסצילוסקופ כדי לקבוע באופן אוטומטי את האיתור משרעת והשעה של האות readout מ photodetectoר'
    3. להגדיר גס את אורך הגל של הלייזר רובידיום D2 הקליטה קו, 780.24 ננומטר, על-ידי הפעלת את כפתור הטמפרטורה הבקר לייזר לרמה שבו שידור אור המינימלי נמדדת דרך התא רובידיום (העזר photodetector ראה שלב 2.2.2). להגדיר את הטמפרטורה לייזר לרמה מזוהה.
    4. להתחבר הפלט של גנרטור פונקציית הקלט אפנון הנוכחי של בקר לייזר משאבת.
    5. חלים גל משולש בין השעות מחולל אותות הקלט אפנון הנוכחי של בקר לייזר לאט לסרוק את אורך הגל של הלייזר על פני 60 pm (30 GHz). לשם כך, הקש ' בחר ערוץ ' כפתור מחולל אותות, בחר ערוץ 1. בשלב הבא, הקש ' כבש ' לחצן ולאחר מכן ' רציף ' כפתור השעון כדי לקבוע את הערוץ כדי לייצר של גל משולש. הקש ' משרעת ' לחצן קיצור דרך כדי להגדיר את משרעת waveform 2.25 Vpp (מתח שיא אל שיא) ו ' תדר/תקופה ' לחצן קיצור דרך כדי לקבוע את תדירות גל 5 מגה-הרץ. לבסוף, הקש ' על ' לחצן כדי להפעיל את הערוץ של מחולל.
    6. לזהות במדויק ככל האפשר את הרמה הנוכחית המביאה את אורך הגל של המשאבה D2 רובידיום-85 F g = 3 קו הספיגה על ידי מדידת מינימום אור שידורה דרך התא רובידיום באמצעות את photodetector עזר (ראה שלב 2.2.2). להגדיר את הלייזר הנוכחי לשלב שזוהה על-ידי הפעלת הידית הנוכחי הבקר לייזר. הסר את התא רובידיום את photodetector עזר. לבסוף, נתק את מחולל אותות הקלט אפנון הנוכחי של בקר לייזר.
  3. הר וליישר את מסנן לנקות לייזר-קו-
    1. מקום המסנן לנקות לייזר-קו (מסנן בראג המשקף; BF) קנטית לטעון עם זפת (Ø x), שהסב התאמות (Ø y) ובמרחק של 250 מ מ קולימטור סיבים (ג 2).
    2. מקום כוח מטר בנתיב האופטי שידור (שיקוף) של המסנן, למזער (הגדל) הכוח קרן על-ידי סיבוב למסנן של הציר המגרש כדי להתאים את הזווית קלט בראג (8 o בתוכנית התקנה זו). להתאים דק Ø x ו Ø ברגים y על הר קנטית כדי למטב את היישור.
    3. לקפל הקרן המשתקף המסנן בחזרה אל כיוון מקביל לזה של הקרן על המסנן קלט בעזרת שתי מראות (M 2, ז 3) רכוב על טעינות קנטית עם המגרש, שהסב התאמות.
    4. הר שני יישור עזר קשתיות באמצעות ההליך ב 1.1.3. התאם Ø x ו Ø ברגים y של שתי טעינות מראה עד הקרן המוחזר מן המראה השני הוא קונצנטריים למרכז הן קשתיות המגדיר את הציר האופטי של המערכת.
  4. הר וליישר את אפנן אקוסטו אופטי.
    1. הר וליישר עדשה (L-5,-f-5 = 100 מ מ) למקד את הקרן משאבת לתוך אפנן אקוסטו אופטי (אום) כפי שמתואר 1.2.2. לאחר המזון עדשה, להסיר בעדינות את העדשה L 5 הר שלה לפני הצבת את אום על מנת למנוע נזק אום-
    2. הר של אום על גבי פלטפורמה 5 צירים (x, Ø Ø y, x, y, z) ממרחק של 100 מ מ של התמקדות העדשה (L 5). להבטיח הפצת קרן משאבת מבעד לחלון הכניסה אפנן מקוטב-S (ראה 2.1.2) כדי למטב את הביצועים אפנן.
    3. חבר את פלט RF של הנהג אפנן קלט RF של אפנן באמצעות כבל הקואקסיאלי 50-Ω. הפעל את מנהל ההתקן ואת העיתונות ' מצב ' כפתור על הנהג כך אפנן אקוסטו אופטי פועלת במצב מכ.
    4. במקום מד הכוח מאחורי הפלט אפנן כדי למדוד את הכוח של מסדר ראשון diffracted הקורה בלבד. התאמת זווית בראג אפנן כדי להגדיל את כוחה של קרן diffracted מסדר ראשון על ידי סיבוב של אפנן גובה ציר (Ø x).
      5. Finelythe
    5. מיקום מחדש תוך התמקדות העדשה (L 5) ב הר שלה ממקדים את הקרן משאבת לתוך אפנן ולהשיג את הזמן הרצוי במהירות עלייה/סתיו (10 ns עבור מיקוד בקוטר של הקרן מיקרומטר ~ 50 ב תוכנית התקנה זו). התאם את x, y, z, Ø x ו y Ø ברגים של פלטפורמת הרכבה של אפנן כדי להגדיל את כוחה של קרן diffracted מסדר ראשון-
    6. לקפל את הקרן על הפלט אפנן לכיוון מקבילה לזו של הקרן-הקלט אפנן בעזרת שתי מראות (ז 4, ז 5) רכוב על טעינות קנטית עם זפת (Ø x) והתאמות (Ø y) yaw כמו המתואר 2.3.3-4.
    7. הר וליישר עדשה השני (L 6, נ 6/6 = 200 מ"מ) ממרחק של f 5 + f 6 מהעדשה התמקדות אפנן קלט collimate קרן משאבת מאופנן כמתואר ב- 1.2.3-4. עדשה זו יחד עם התמקדות העדשה-הטופס קלט אפנן במותחן קרן Keplerian עבור הקרן משאבה, תואמים את המשאבה ואת בדיקה קרן קטרים לפני התמקדות המדגם (S)-
  5. הרכבתי את המשאבה P-קיטוב אופטיקה. הר צלחת חצי-גל מסדר אפס (λ/2) ב הר הסיבוב. מקם את לוחית גל מאחורי העדשה השניה של שושנה קרן Keplerian של הקורה משאבה (L 6). לסובב את לוחית גל כדי להתאים את הקורה לכיוון P-קיטוב, אשר הנה מקביל למישור שולחן אופטי. לאשר קרן הלייזר הוא מקוטב-P על ידי מדידת שידור מרבי לייזר (מינימלי) (שיקוף) דרך מפצל קרן עזר מהפכנית עם מד הכוח.
  6. מקפלים וחתכים רוחבית משמרת הקרן על הפלט של לוחית גל-
    1. הר ראי (6 מ'), הר קנטית עם זפת (Ø x), שהסב התאמות (Ø y) ממרחק של 50 מ מ מהצלחת חצי-גל (λ/2). לצרף את הבסיס פוסט על הר קנטית שלב translational ליניארי המיושר לציר האופטי של המערכת. אוריינט המראה יהיה 45 o ביחס לציר האופטי לאורך אלמנטים λ/2-PBS.
    2. יישור הקרן המוחזר מן המראה, קיטוב של קרן ספליטר כמתואר ב- 1.3.1-2. לאשר קרן משאבת מועברים באמצעות המפצל קרן מהפכנית הוא קוליניאריות בדיקה קרן בנתיב אופטי באמצעות לייזר במלונות מצחוק
    3. לתרגם את המראה על ידי 3 מ מ בכיוון אנכי לציר האופטי של עדשות התמקדות משאבת-בדיקה (L 4-L 3) כדי לייצר מהציר משאבת תאורה של המדגם (S) שמקטינה השתקפויות משאבת תועה.
  7. הרכבתי את המשאבה חסימת אופטיקה בנתיב האופטי בדיקה. הר מקטב ליניארי (P) ב הר הסיבוב. מקם את מקטב בין המראה מתקפלים (ז 1) את לוחית גל הראשון (λ 1 / 4) בדרך בדיקה אופטית, כ- 75 מ מ כל אחד ממרכיבים אלה. לסובב את מקטב למזער (הגדלת) שידור של הקורה משאבה (גשושית).

3. להכין ערכת לגילוי את תדירות Detuning של המשאבה, בדיקה לייזרים

  1. להגדיר את סיבים אופטיים עבור לייזרים החללית ואת משאבת.
    1. התחבר סיב קלט 50: 50 FC/APC שמירה על קיטוב סיבים ספליטר (יציאה 1 של FS 2) מצמד סיבים של היציאה שאינו מוגבר של הלייזר המשאבה. לחבר סיבים 33%-פלט של המפצל סיבים בדיקה (יציאה 2 של FS 1) כדי סיבים קלט-50% של המפצל סיבים משאבה (יציאה 2 של FS 2) באמצעות הזדווגות עם שרוול.
    2. מודדים את הכוח האופטי-סיבים פלט של המפצל סיבים משאבה (T של FS יציאה 2) 50: 50 עם מד כוח ולהבטיח כי סך כל הכוח האופטי הוא < 10 mW למניעת רוויה של photodetector מצמידים סיבים (FPD). לחבר סיבים פלט של 50: 50 משאבת סיבים המפצל (T של FS יציאה 2) לקלט של photodetector במהירות גבוהה סיבים מצמידים.
  2. חבר את מחבר זכר K של photodetector מהר ישירות למחבר ה-K הנשי של הלהקה GHz של תדירות מיקרוגלuency מונה (FC).

4. הגדר את ה מגורה ברילואן רווח/הפסד גלאי

  1. להכין את התא אדי רובידיום-85- תא
    1. לעטוף כל משטח מוליך חום. לעטוף את קלטת חום בקצוות של התא. המקום צמד תרמי במרכז התא כדי לנטר את הטמפרטורה חימום. ודא כי צמד תרמי אינו נוגע בקלטת חום. להתחבר את צמד תרמי מד חום כדי לקרוא את הטמפרטורה תא.
    2. לעטוף את התא כולו עם קלטת טפלון כדי להחזיק את הקלטת החום ואת צמד תרמי במקומות שלהם, לבודד תרמית התא מהסביבה. יוצאים לסוף הקלטת חום פתוח משני הקצוות. להעביר את שני כיוונים של הקלטת חום וי 0-30, 5 ספק כוח A DC.
    3. הר התא בנתיב האופטי השתקפות של המפצל קרן מהפכנית (PBS). להבטיח כי הקרן בדיקה פוגע במרכז התא.
    4. הר קשתית (I) לפני התא. פתח את הקשתית כך קרן בדיקה לחלוטין יכולה לעבור. איריס זה מסייע מזעור השתקפויות משאבת תועה.
  2. להגדיר את photodetector. תא
    1. המקום photodetector (PD) מאחורי רובידיום. Photodetector, בתוך קופסת אלומיניום, מונה פוטודיודה שטח גדול של מסנן נמוך לעבור RC תוצרת בית (R = 1 kΩ, C = 0.1 µF) זה מקטין את הרעש של המתח הסטייה הפוכה. להבטיח כי הקרן בדיקה פוגע במרכז פוטודיודה באמצעות לייזר במלונות ואחרון
    2. להתחבר הקתודה פוטודיודה מסוף המבקר 0-30, 5 ספק כוח A DC באמצעות כבל הקואקסיאלי 50 Ω. החלת דעה קדומה הפוכה של 25 V, על-ידי הפעלת הידית מתח אספקת החשמל, כך פוטודיודה מופעל במצב photoconductive לגילוי בתדירות גבוהה-
  3. להגדיר את המגבר הנעילה.
    1. לחבר photodetector כדי 50Ω קואקסיאלי נמוך לעבור סינון (LPF) של 1.9 מגה רוחב פס באמצעות כבל הקואקסיאלי 50 Ω. לחבר את הפלט של LPF קואקסיאליים ישירות קלט אות של הנעילה המגבר (ליה). הקש ' סיג-Z ב- ' על המגבר הנעילה כדי להגדיר את האות כניסה אימפדנס של המגבר הנעילה כדי 50Ω.
    2. התחבר ערוץ 1 של גנרטור פונקציה להפניה הזנה של המגבר הנעילה באמצעות כבל הקואקסיאלי 50 Ω. הקש ' בחר ערוץ ' כפתור מחולל אותות, בחר ערוץ 1. בשלב הבא, הקש ' סינוס ' לחצן ולאחר מכן ' רציף ' כפתור השעון כדי לקבוע את הערוץ כדי לייצר גל sinusoidal. הקש ' משרעת ' לחצן קיצור דרך כדי להגדיר את משרעת waveform 0.7 Vpp ו ' תדר/תקופה ' לחצן קיצור דרך כדי לקבוע את תדירות גל f m = 1.1 MHz.
    3. התחבר ערוץ 2 של הגנרטור פונקציה כדי החיצוני קלט אנלוגי של הנהג אפנן אקוסטו אופטי באמצעות כבל הקואקסיאלי 50 Ω. בצע את ההליך שבסעיף 4.3.2 כדי להגדיר Vpp 1, f m = 1.1 MHz waveform sinusoidal בערוץ 2-
    4. העיתונות ' על ' כפתור על הגנרטור פונקציה כדי להפעיל בערוצים 1 ו- 2 ונעל את מערכת היחסים שלהם שלב על ידי דחיפת ' שלב יישר ' על מחולל לחצן הלוח.
    5. מתג ' מצב ' כפתור על הנהג אפנן אקוסטו אופטי כדי ' רגיל ' המדינה. קרן משאבות עכשיו מאופנן שטיחות f m = 1.1 MHz.

5. ההכנות של המערכת מיטוב הביצועים

  1. להגדיר את חדרי קירור והקפאה ההוראה
    1. התחבר פלט אנלוגי של הדלפק תדירות מיקרוגל (FC) כדי קלט אנלוגי אחד של יחידת רכישה נתונים (DAQ) באמצעות כבל קואקסיאלי. הקש ' DAC ', ' 1 ' ו- ' 0 ' לחצנים על הדלפק תדר כדי להגדיר את דיוק הבדיקה בתדירות 10 מגה-הרץ. ערוץ זה מנטר את תדר המשאבה-בדיקה detuning.
    2. התחבר ' X ' פלט של הנעילה המגבר (ליה) לקלט אנלוגי השני של היחידה רכישת נתונים באמצעות כבל קואקסיאלי. הקש ' פלט ' כפתור של ' X ' הערוץ על המגבר הנעילה כדי להפעיל את הערוץ. שימוש זה צגים הערוץ רווח ברילואן מגורה (SBG) אות ברמה.
    3. לפצל ערוץ הפלט של גנרטור פונקציה בשני ערוצים נפרדים באמצעות מחבר BNC-טי. להתחבר ערוץ אחד הקלט הנוכחי אפנון של הבקר לייזר בדיקה, והערוץ השני לכניסת אנלוגי השלישי של יחידת רכישה נתונים באמצעות כבלים קואקסיאליים. להשתמש בערוץ השני זה לרכוש את האות אפנון הנוכחי של הלייזר בדיקה.
    4. להתחבר הפלט USB של יחידת רכישה נתונים למחשב. כתוב תוכנית בחבילת תוכנה רכישת נתונים באופן חזותי ולהקליט את הסימנים המתוארים לעיל מן הנתונים רכישת יחידה 14-
  2. הר דגימת מים בקנה מידה.
    1. מילוי הבית בנוי זכוכית בעובי מיקרומטר 500 קאמרית עם מים מזוקקים. התא היא מורכבת שני עגול 25 מ מ קוטר 0.17 מ מ עבה coverslips זכוכית דקה במרווחים קבועים על ידי קלטת טפלון מיקרומטר בעובי 500-
    2. הר בעל קאמרית על הבמה תרגום ממונע 3-ציר. הכנס לתא המדידה המחזיק ויעביר אותו אל נקודת המוקד המשותפת של גשושית ואת משאבת התמקדות עדשות (L 3 ו- L 4, בהתאמה) באמצעות השלב ממונע.
  3. לחמם את התא רובידיום.
    1. ללבוש משקפי בטיחות לייזר 780 ננומטר לייזר לשימוש. להגדיל את הכוח של הלייזר משאבת להשיג > 250 mW על הדגימה על-ידי הפעלת הידית הנוכחי הבקר צמצום-מגבר ומדידת כוח לפני הדגימה עם מד כוח.
    2. סט קבוע זמן הנעילה המגבר (ליה) 1 s על-ידי הקשת ' ליישב למעלה/למטה ' לחצנים על המגבר הנעילה. להגדיר את המסנן יעברו של המגבר הנעילה dB 24/אוקטובר על ידי דחיפת ' מסנן למעלה/למטה במדרון ' לחצנים. הגדר את הרגישות הנעילה מגבר 1 mVrms על-ידי הקשת ' Sens למעלה/למטה ' לחצנים. השתמש בפונקציה שלב יישור של המגבר הנעילה כדי להתאים את המופע. ההתחלתי בין כניסות הפניה ושידור של המגבר לאפס על ידי דחיפת ' משמרת ' ו- ' שלב ' לחצני.
    3. לפקח על ההשתקפויות משאבת תועה על ידי התבוננות הקריאות על ' X ' ערוץ של המגבר הנעילה.
    4. לכוון מחדש את אורך הגל של משאבת כדי rubiduim-85 D 2 F g = 3 קו הקליטה על-ידי הפעלת בעדינות את כפתור הנוכחי הבקר לייזר כדי להשיג readout השתקפות של משאבת תועה מינימלי על ' X ' ערוץ של המגבר הנעילה.
      5. אספקת
    5. להגדיר 17 V DC על הכוח מחובר בקלטת חום להתחמם רובידיום לתא 90 o C. חכה כמה דקות עד מדידה מד חום מייצבת על הטמפרטורה בתא הרצוי. הערה: הקריאות אות מובחנים ' X ' ערוץ של המגבר הנעילה שכדאי לרדת במהירות במהלך חימום (עקב עלייה משמעותית הספיגה של התא).
  4. מידה לייעל את האות SBG במים.
    1. להגדיל את הכוח של הלייזר המכשיר כדי לקבל > 10 mW על הדגימה על-ידי הפעלת הידית הנוכחי הבקר לייזר ומדידת כוח לפני הדגימה עם מד כוח.
    2. גס להתכוון הגל בדיקה ל D2 rubiduim-85 F g = 3 קו הקליטה על-ידי הפעלת את כפתור הטמפרטורה הבקר לייזר בדיקה ומדידת רמת כוח מינימלי לייזר מאחורי התא רובידיום עם מד כוח.
    3. דק להתכוון הגל בדיקה כדי להיות יותר מאורך הגל המשאבה על-ידי הפעלת הידית הנוכחי הבקר לייזר בדיקה עד > 10 mW, בקירוב, לייזר כוח קבוע למדוד רמות מאחורי התא רובידיום עם מד הכוח. הערה: אם הגל בדיקה קצרה יותר מזו של הלייזר משאבה, ואז הלהקות קליטה נוספת של התא רובידיום-85 להפחית באופן משמעותי את הכוח בדיקה על הפלט תא.
    4. להגדיר את התדירות detuning בין לייזרים משאבת, בדיקה כדי להתאים את המשמרת ברילואן של מים (~ 5 GHz) על-ידי הפעלת הידית הנוכחי הבקר לייזר בדיקה והתבוננות תדירות detuning המפרט על הדלפק תדר (FC). הערה: עבור שלילי (חיובי) מסדר ראשון diffracted קרן, קריאות אלה צריך להיות גדול יותר (קטנות) יותר משמרת ברילואן מאת הגג נהיגה תדירות אפנן אקוסטו אופטי (210 MHz ב תוכנית התקנה זו).
    5. להגדיר את הרגישות הנעילה מגבר 100 µVrms ולהתאים את המופע. ההתחלתי בין כניסות הפניה ושידור של המגבר לאפס באמצעות ההליך ב 5.3.3.
    6. למטב את יעילות מעבר הקורות משאבת, בדיקה על ידי דק (i) התאמת Ø x ו- y Ø הברגים על הר קנטית המראה מתקפלים של הקורה משאבה (ז 6), (ii) מעט לתרגם את המשאבה התמקדות העדשה (L 4) לאורך הציר האופטי של המערכת.
    7. ודא גבוה יותר אות המפרט על ' X ' ערוץ של המגבר הנעילה לגרום בעיקר מן אות SBG מוגברת (ולא של משאבת תועה השתקפויות) על ידי חסימת הקרן בדיקה ומדידת רמות ללא שינוי של משאבת תועה הרהורים ' X ' ערוץ של המגבר הנעילה.
    8. חזור על צעדים 5.4.6-7 עד האות SBG מגיע למקסימום (> 2 µVrms), תוך שמירה על משאבת תועה השתקפויות ברמה ללא שינוי מינימלי.

6. למדוד ולנתח ספקטרום SBG

  1. ליצור עקומת כיול של בדיקה אפנון הנוכחי לעומת משאבת-בדיקה בתדר detuning.
    1. לקבוע את תדירות detuning בין משאבת, בדיקה הלייזרים כדי 5 GHz (סביב משמרת ברילואן מים) על-ידי הפעלת הידית הנוכחי הבקר לייזר בדיקה.
    2. העיתונות ' RES ' ו ' 5 ' לחצנים על הדלפק תדירות מיקרוגל (FC) לקביעת הזמן שער 1 ms, מתן מרווח הדגימה של 100 אלפיות שניה בין תדירות ברציפות detuning מדידות. החל גל משולש לקלט אפנון הנוכחי של הבקר לייזר בדיקה באמצעות ההליך ב 2.2.5 waveform משרעת ותדירות פרמטרים של 150 mVpp ל- 50 מגה-הרץ, בהתאמה. פעולה זו תאפשר לאט לסרוק את אורך הגל של בדיקה (, ומכאן תדר המשאבה-בדיקה detuning) על פני 2 ג'יגה-הרץ.
    3. מוגדר קצב הדגימה של יחידת רכישה נתונים (DAQ) 100 דגימות/s/ערוץ, להקליט את detuning תדר המשאבה-בדיקה, בדיקה לייזר אפנון הנוכחי אותות מיחידת רכישת נתונים עבור 20 s (מעל 4-6 GHz) באמצעות הנתונים בכתב הביתה תוכנית רכישת.
    4. לטעון את נתוני המדידה של תוכנה חישובית. להתאים לנתונים detuning תדר המשאבה-בדיקה עם מודל לינארי. שים לב שזה גם אפשרי להשתמש התאמה פולינומיאלי מסדר גבוה יותר (בגלל nonlinearity תדירות משאבת-בדיקה detuning מדידות). מתאים גם בדיקה לייזר אפנון הנתונים הנוכחיים עם מודל לינארי.
    5. לייצר עקומת כיול על-ידי אחסון בתוכנה חישובית התדר משאבת-בדיקה detuning דגימות בכושר כפונקציה של אפנון המכשיר הנוכחי מתאים דגימות.
  2. למדוד של ספקטרום SBG במהירות גבוהה-
    1. לעלות את הדגימה תחת-המבחן (S), לדוגמה, לגלידה כמו בשימוש הניסויים, כפי שמתואר 5.2.1 - 2. חזור על שלבים 5.4.1 - 8-
    2. מוגדר הקבוע זמן הנעילה מגבר (ליה) ≥ µs 100 על-ידי הקשת ' ליישב למעלה/למטה ' לחצנים על המגבר הנעילה. החל גל משולש לקלט אפנון הנוכחי של הבקר לייזר בדיקה באמצעות ההליך ב 2.2.5 waveform משרעת ותדירות פרמטרים של 150 mVpp, 50 הרץ, בהתאמה. פעולה זו תאפשר לסרוק במהירות הגל בדיקה (, ומכאן תדר המשאבה-בדיקה detuning) על פני 2 ג'יגה-הרץ.
    3. להגדיר קצב הדגימה של יחידת רכישה נתונים (DAQ) ≤ 100,000 דגימות/s/ערוץ ולהקליט את SBG והבדיקה לייזר אפנון אותות הנוכחי של יחידת רכישה נתונים עבור ≥ 10 ms (מעל 4-6 GHz) באמצעות הנתונים נכתב-דף הבית תוכנית רכישת.
  3. Visualize ולנתח את הספקטרום SBG.
    1. לטעון נתוני המדידה טלקוה 6.2.6 בתוכנית תוכנה חישובית-
    2. להמיר בדיקה נמדד לייזר אפנון הערכים הנוכחיים תדר המשאבה-בדיקה detuning ערכים על-ידי זיהוי ערכים אלה בתוך עקומת כיול המאוחסן 6.1.5.
    3. לחסר רצפת הרעש הממוצע מהספקטרום והמחש את הספקטרום SBG ידי המדידות SBG נגד התדר משאבת-בדיקה detuning ערכים.
    4. להתאים את הספקטרום עם עקומה Lorentzian. ב- guess הראשונית של הפרמטרים Lorentzian, להשתמש משרעת, מיקום תדר ברוחב-מלא על מחצית הנקודה הגבוהה ביותר של הספקטרום-
    5. לחשב את ברילואן shift ו- linewidth של המדגם שנבדקו על-ידי אחזור המיקום תדר של מקסימום, ברוחב-מלא על חצי-מקסימום של התאים Lorentzian, בהתאמה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

דמויות 2b ו- 3b להציג טיפוסי נקודה SBG ספקטרום של מים מזוקקים ורקמות השומנים-אמולסיה דגימות פנטום (עם 2.25 פיזור ואירועים של מקדם הנחתה של 45 ס מ-1) נמדד בתוך 10 ms ו- 100 ms, בהתאמה. לשם השוואה, מדדנו את ספקטרום SBG ב 10 s כפי שמוצג דמויות 2a ו- 3a. במדידות האלה, התא רובידיום-85 אדי היה מחומם ל 90 ° C attenuating משאבת תועה הרהורים על ידי ~ 104 , משדר > 95% של בדיקה אור; רמות היו לתחזק יציבים במשך שעה11. כמו כן, הרזולוציה המרחבית, יוגדרו כאן כמו רוחב המלא לרוחב על חצי-מקסימום של SBS עוצמת זוהה מן המוקד, היה מוערך כ 8 מיקרומטר10. הממוצע שברילואן משמרות המתקבל ספקטרום רכשה במהירות במים, רקמות פאנטום היו 5.08 GHz ו- 5.11 ג'יגה-הרץ, בהתאמה. הערכות אלה shift ברילואן דומות לאלה שמחושבים ספקטרה טלקוה 10 s ו כדי ברילואן שפורסמו קודם לכן הנתונים של מימית דוגמאות9,10,11. ההזחה של הדמויות הצגת היסטוגרמות האומדנים ברילואן shift שאוחזר מ- 200 מדידות רציפות של SBG ספקטרה. הדיוק של משמרת ברילואן שהושג הוערך במונחי סטיית התקן של התפלגות Gaussian תתאים להתפלגות shift ברילואן שנצפו. סטיות תקן של 8.5 מגה-הרץ ו 33 מגה-הרץ התקבלו הדגימות דמה מים ורקמות, המייצג של דיוק מדידה גבוהה לזיהוי שינויים עדינים ב מכניקת חומרים. למרות רמת כוח המשאבה המשמשת כאן היה גבוה (mW ~ 250-270), חימום עקב ספיגת מים-780 nm נאמדת < 0.53 קאראט, ובכך יכול להיות ומוזנח הדגימות מימית בשימוש זה עבודה10. יתר על כן, אין יציבות לטווח קצר SBG הספקטרום של דגימות מים, השומנים-אמולסיה נצפתה במהלך 120 s של חשיפה מתמשכת של הדגימות אלה רמות צריכת חשמל.

Figure 2
איור 2: ברילואן מאולצת לקבל ספקטרום (SBG) של מים- נציג SBG ספקטרום של מים רכשה ב () 10 s ו- (b) 10 נקודות גב' ועומד קווים מלאים עבור ערכים מדידה ומתאים Lorentzian, בהתאמה. כניסות הצגת היסטוגרמות המקביל של ברילואן הערכות משמרת מים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 3
איור 3: ברילואן מאולצת לקבל ספקטרום (SBG) של רקמות פאנטום. נציג SBG ספקטרום של השומנים-אמולסיה פאנטום רקמות (עם 2.25 פיזור ואירועים של מקדם הנחתה של 45 ס מ-1) רכשה ב () 10 s ו- (b) 100 גב נקודות, קווים מלאים מציינות ערכי מדידה ו Lorentzian מתאים, בהתאמה. כניסות להראות היסטוגרמות המקביל של ברילואן הערכות משמרת של הרקמה פנטום. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

המערכת, המוצגת באיור 1, תוכנן להיבנות על 18'' x 24'' בממרח שניתן להרכיבו אנכית על טבלת אופטי, הקלת השמה של דגימות דומעות. כתוצאה מכך, חשוב בחריפות כל אלמנטים אופטיים ומכניים ומסייעים להבטיח כי הקורות משאבת, בדיקה קוליניאריות, קונצנטריים עם אלמנטים שונים לפני מאירה את הדגימה בגיאומטריה מהציר.

קשיים בלימוד את ברילואן מאולצת לקבל אות עלולים לגרום השתקפויות משאבת תועה מוגזם את המסיכה רווח ברילואן חלש של דגימות מימית (~ 10-6). כדי להתייחס לקשיים אלה, ודא תחילה החדר ממוקם בנקודת המוקד המשותפת של גשושית ואת משאבת התמקדות עדשות (L3 ו- L4, בהתאמה). לאחר מכן, סגור את הקשתית (I) הממוקמים לפני התא רובידיום-מעט ו/או לתרגם במקצת המראה מתקפלים של הקורה משאבה (6מ') לחסל עוד זיהוי של משאבת תועה השתקפויות. הערה הליכים אלה יהיה גם להקטין את האות ברילואן, אך עשוי לספק נקודת התחלה כדאי זיהוי האות רווח ברילואן מגורה במים. אם האות עדיין לא זוהה, השתמש מתנול או דיסולפידי פחמן, אשר יש ברילואן חזק משמעותית לקבל ממים8,10. לחלופין, עבור מדידות של דגימות שאינן עכורים, זה ניתן להשתמש עבה צ'יימברס זכוכית (עשר פעמים קונאפוקלית הפרמטר /L3L4) זה להפחית באופן משמעותי את גילוי של משאבת תועה השתקפויות.

בפרוטוקול, אנו המתואר מדידות מהירות גבוהה של ברילואן מגורה רווח ספקטרה מעל 2 ג'יגה-הרץ. להרחיב את המידות על רוחב פס גדול יותר (לדוגמה, בדגימות עם משמרות כפולות תדירות ברילואן המופרדות על-ידי > 1 GHz), זה חיוני כדי לייצר עקומת כיול של אפנון בדיקה הנוכחית נגד detuning תדירות מורחבת מגוון של לייזרים משאבת, בדיקה. . Desirably, עקום זה אמור להיפתר עבור nonlinearity קטן של לייזר לחיתוך תדר עם אפנון הנוכחי. לחלופין, ניתן לשלב ערכות לניטור מהיר של detuning בתדר משאבת-בדיקה כדי להחליף את הדלפק תדירות מיקרוגל (FC) בספקטרומטר.

גשמי המודולוס האורך מורכבים בתדרים GHz עבור צפיפות ידוע ו שבירה של מדגם4ניתן להמיר את ברילואן תדירות shift ו- linewidth נמדד על ידי התקנה המוצעת כאן. כמו ספקטרוסקופיית ברילואן ספונטנית, אלמנטים אחרים של טנזור נוקשות גשמי (למשל, מודולוס גזירה) יכול להיות נחקר באמצעות SBS ספקטרוסקופיה על ידי גילוי אור מפוזר-מלאכים שונים ומדינות קיטוב מהמשאבה אור. הקשת ברילואן אז התערוכה התחתון האות ל רעש-יחס-(עקב יעילות קטן יותר מעבר הקורות משאבת, החוקרת הדגימה10,11,12) ותדירות ברילואן קטן יותר משמרות, linewidths (עקב זווית מעבר מופחתת) מאלו שהושגו בגיאומטריה backscattering כמעט. כתוצאה מכך, השימוש פעמים מדידה ארוך יותר לייזרים עם linewidths צר יותר יהיה צורך.

ספקטרומטר SBS הנוכחי שלנו מספק עבור מדידות של ספקטרה ברילואן בדגימות שאינם עכורים, רכישת פעמים שהן דומות לאלה מתקבל על ידי ספקטרומטרים VIPA4 , שהם 100-fold יותר מהר מאשר אלה מושגת על ידי הקיימים מכ מגורה ברילואן פיזור ספקטרומטרים (עם רגישות דומה ברילואן shift)9,10,11. עבור מדידות ברילואן בתקשורת עכורים, המכשיר שלנו הוא מסוגל לרכוש ברילואן ספקטרום של דגימות עכורים עם אירועים פיזור 2.25 תוך זמן קצר ככל 100 ms, אשר 3-fold מהר יותר מאשר בשימוש ספקטרומטר VIPA עם בזה. ניצוצות פברי פרו-מבוסס ריילי מסנן דחייה בדגימות עכורים עם 0.13 - 1.33 פיזור אירועים13. בניגוד VIPA ספקטרומטרים, ספקטרומטרים SBS אינו דורש כל המסננים דחייה ריילי מתמחה ומספקת מטבעו ניגודיות מצוינת, אפילו בדגימות עכורים עם פיזור אלסטי חזק10,11.

ספקטרומטר SBS הנוכחי עדיין לא הגיע למגבלה ירה-רעש. הרעש ספקטרומטר נשלטת על ידי עוצמת רעש בדגימות שאינם עכורים ועל ידי רעש אלקטרוני מדיה עכורים11. כתוצאה מכך, האות ל הרעש-היחס-(ומכאן הזמן רכישה) של SBG האות הוא מוגבל. כדי להתגבר על מגבלה זו, מגבר חשמלי נמוך-רעש לפני הנעילה הזיהוי יכול לשמש כדי לצמצם עוד יותר את הזמן רכישה של ספקטרה SBG פיזור חומרים ללא הפחתת רגישות shift11ברילואן. בנוסף, השימוש של מקורות לייזר ירה-רעש-מוגבלת עם דחייה גבוה יותר של אור ב גאומטריה backscattering האמיתי תועים משאבת יגדל בצורה אופטימלית את האות-כדי-הרעש-היחס של ספקטרומטר, ומאפשר זמנים קצרים יותר עבור הקלטה SBG ספקטרה עם גבוהה ברילואן shift רגישות11.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

המחברים אין לחשוף.

Acknowledgments

IR הוא מודה קרן עזריאלי על הפרס מלגת הדוקטורט.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Probe diode laser head and controller Toptica Photonics SYST DL-100-DFB Quantity: 1
Pump amplified diode laser and controller Toptica Photonics SYST TA-pro-DFB Quantity: 1
FC/APC fiber dock Toptica Photonics FiberDock  Quantity: 3
High power single mode polarization maintaining FC/APC fiber patchcord Toptica Photonics OE-000796 Quantity: 1
FC/APC fiber collimation with adjustable collimation optics Toptica Photonics FiberOut Quantity: 1
FC/APC fiber fixed collimator OZ Optics HPUCO-33A-780-P-6.1-AS Quantity: 1
Single mode polarization maintaining fiber splitter 33:67 OZ Optics FOBS-12P-111-4/125-PPP-780-67/33-40-3A3A3A-3-1 Quantity: 1
Single mode polarization maintaining fiber splitter 50:50 OZ Optics FOBS-12P-111-4/125-PPP-780-50/50-40-3S3A3A-3-1 Quantity: 1
f=25 mm, Ø1/2" Achromatic Doublet, SM05-Threaded Mount, ARC: 650-1050 nm Thorlabs AC127-025-B-ML Quantity: 1
f=30 mm, Ø1" Achromatic Doublet, SM1-Threaded Mount, ARC: 650-1050 nm Thorlabs AC254-30-B-ML Quantity: 2
f=50 mm, Ø1" Achromatic Doublet, SM1-Threaded Mount, ARC: 650-1050 nm Thorlabs AC254-50-B-ML Quantity: 1
f=100 mm, Ø1" Achromatic Doublet, SM1-Threaded Mount, ARC: 650-1050 nm Thorlabs AC254-100-B-ML Quantity: 1
f=200 mm, Ø1" Achromatic Doublet, SM1-Threaded Mount, ARC: 650-1050 nm Thorlabs AC254-200-B-ML Quantity: 1
Ø1/2" Broadband Dielectric Mirror, 750-1100 nm Thorlabs BB05-E03 Quantity: 4
Ø1" Broadband Dielectric Mirror, 750-1100 nm Thorlabs BB1-E03 Quantity: 2
1" Polarizing beamsplitter cube, 780 nm Thorlabs PBS25-780 Quantity: 1
Ø1" Linear polarizer with N-BK7 protective windows, 600-1100 nm Thorlabs LPNIRE100-B Quantity: 1
Shearing Interferometer with a 1-3 mm Beam Diameter Shear Plate Thorlabs SI035 Quantity: 1
6-Axis Locking kinematic optic mount Thorlabs K6XS Quantity: 4
Compact five-axis platform Thorlabs PY005 Quantity: 1
Pedestal mounting adapter for 5-axis platform Thorlabs PY005A2 Quantity: 1
Polaris low drift Ø1/2" kinematic mirror mount, 3 adjusters Thorlabs POLARIS-K05 Quantity: 4
Lens mount for Ø1" optics Thorlabs LMR1 Quantity: 5
Adapter with external SM1 threads and Internal SM05 threads, 0.40" thick Thorlabs SM1A6T Quantity: 1
Rotation mount for Ø1" optics Thorlabs RSP1 Quantity: 2
1" Kinematic prism mount Thorlabs KM100PM Quantity: 1
Graduated ring-activated SM1 iris diaphragm Thorlabs SM1D12C Quantity: 1
Post-mounted iris diaphragm, Ø12.0 mm max aperture Thorlabs ID12 Quantity: 2
1/2" translation stage with standard micrometer Thorlabs MT1 Quantity: 3
Ø1" Pedestal pillar post, 8-32 taps, L = 1" Thorlabs RS1P8E Quantity: 1
Ø1" Pedestal pillar post, 8-32 taps, L = 1.5" Thorlabs RS1.5P8E Quantity: 2
Ø1" Pedestal pillar post, 8-32 taps, L = 2" Thorlabs RS2P8E Quantity: 4
Ø1" Pedestal pillar post, 8-32 taps, L = 2.5" Thorlabs RS2.5P8E Quantity: 1
Ø1" Pedestal pillar post, 8-32 taps, L = 3" Thorlabs RS3P8E Quantity: 4
Short clamping fork Thorlabs CF125 Quantity: 12
Mounting base Thorlabs BA1S Quantity: 8
Large V-Clamp with PM4 Clamping Arm, 2.5" Long, Imperial Thorlabs VC3C Quantity: 1
Ø1/2" Post holder, spring-loaded hex-locking thumbscrew, L = 1" Thorlabs PH1 Quantity: 2
Ø1/2" Post holder, spring-loaded hex-locking thumbscrew, L = 1.5" Thorlabs PH1.5 Quantity: 2
Ø1/2" Post holder, spring-loaded hex-locking thumbscrew, L = 2" Thorlabs PH2 Quantity: 6
Ø1/2" Optical post, SS, 8-32 setscrew, 1/4"-20 tap, L = 1" Thorlabs TR1 Quantity: 2
Ø1/2" Optical post, SS, 8-32 setscrew, 1/4"-20 tap, L = 1.5" Thorlabs TR1.5 Quantity: 2
Ø1/2" Optical post, SS, 8-32 setscrew, 1/4"-20 tap, L = 2" Thorlabs TR2 Quantity: 6
Aluminum breadboard 18" x 24" x 1/2", 1/4"-20 taps Thorlabs MB1824 Quantity: 1
12" Vertical bracket for breadboards, 1/4"-20 holes, 1 piece Thorlabs VB01 Quantity: 2
Si photodiode, 40 ns Rise time, 400 - 1100 nm, 10 mm x 10 mm active area Thorlabs FDS1010 Quantity: 1
Waveplate, zero order, 1/4 wave 780nm Tower Optics Z-17.5-A-.250-B-780 Quantity: 2
Waveplate, zero order, 1/2 wave 780nm Tower Optics Z-17.5-A-.500-B-780 Quantity: 1
Fiber coupled ultra high speed photodetector Newport 1434 Quantity: 1
Gimbal optical miror mount Newport U100-G2H ULTIMA Quantity: 3
linear stage with 25 mm travel range Newport  M-423  Quantity: 1
Lockable differential micrometer, 25 mm coarse, 0.2 mm fine,11 lb. load Newport  DM-25L Quantity: 1
XYZ Motor linear stage Applied Scientific Instrumentation LS-50 Quantity: 3
Stage controller Applied Scientific Instrumentation MS-2000 Quantity: 1
Sample holder Home made Custom Quantity: 1
Rubidium 85 Fused Silica spectroscopy cell with flat AR-coated windows, 150 mm length, 25mm diameter Photonics Technologies SC-RB85-25x150-Q-AR Quantity: 1
Thermally conductive pad 300 mm x 300 mm BERGQUIST Q3AC 300MMX300MM SHEET Quantity: 1
Heat tape 0.15 mm x 2.5  mm x 5 m, 4.29  W/m KANTHAL 8908271 Quantity: 1
Polytetrafluoroethylene tape 1/2'' x 12 m Teflon tape R.G.D Quantity: 1
Reflecting Bragg grating bandpass filter OptiGrate SPC-780 Quantity: 1
High frequncy aousto optic modulator Gooch and Housego 15210 Quantity: 1
Aousto optic modulator RF driver, frequncy: 210 MHz  Gooch and Housego MHP210-1ADS2-A1 Quantity: 1
High frequncy lock-in amplifier  Stanford Research Systems SR844 Quantity: 1
Frequency counter Phase Matrix EIP 578B Quantity: 1
Arbitrary function Generator Tektronix AFG2021 Quantity: 2
Data acquisition (DAQ) module National Instruments NI USB-6212 BNC Quantity: 1
Data acquisition (DAQ) software  National Instruments LabVIEW 2014 Quantity: 1
Regulated DC power supply  dual 0-30V 5A MEILI MCH-305D-ii Quantity: 1
Thermocouple MRC TP-01 Quantity: 1
Thermometer MRC TM-5007 Quantity: 1
Coaxial low pass filter DC-1.9 MHz Mini Circuits BLP-1.9+ Quantity: 1
20% lipid-emulsion Sigma-Aldrich I141-100ml Quantity: 1
round 25 mm diameter cover glass thick:1 # Menzel Glaser 150285 Quantity: 1
Computational software  MathWorks MATLAB 2015a

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. Palombo, F., Madami, M., Stone, N., Fioretto, D. Mechanical mapping with chemical specificity by confocal Brillouin and Raman microscopy. Analyst. 139 (4), 729-733 (2014).
  3. Scarcelli, G., Yun, S. H. In vivo Brillouin optical microscopy of the human eye. Opt. Exp. 20 (8), 9197-9202 (2012).
  4. Scarcelli, G., et al. Noncontact three-dimensional mapping of intracellular hydromechanical properties by Brillouin microscopy. Nat. Methods. 12 (12), 1132-1134 (2015).
  5. Traverso, A. J., Thompson, J. V., Steelman, Z. A., Meng, Z., Scully, M. O., Yakovlev, V. V. Dual Raman-Brillouin microscope for chemical and mechanical characterization and imaging. Anal. Chem. 87 (15), 7519-7523 (2015).
  6. Antonacci, G., Foreman, M. R., Paterson, C., Török, P. Spectral broadening in Brillouin imaging. Appl. Phys. Lett. 103 (22), 221105 (2013).
  7. Antonacci, G., et al. Quantification of plaque stiffness by Brillouin microscopy in experimental thin cap fibroatheroma. J. R. Soc. Interface. 12 (112), 20150483 (2015).
  8. Grubbs, W. T., MacPhail, R. A. High resolution stimulated Brillouin gain spectrometer. Rev. Sci. Instrum. 65 (1), 34-41 (1994).
  9. Ballmann, C. W., Thompson, J. V., Traverso, A. J., Meng, Z., Scully, M. O., Yakovlev, V. V. Stimulated Brillouin scattering microscopic imaging. Sci Rep. 5, 18139 (2015).
  10. Remer, I., Bilenca, A. Background-free Brillouin spectroscopy in scattering media at 780 nm via stimulated Brillouin scattering. Opt. Lett. 41 (5), 926-929 (2016).
  11. Remer, I., Bilenca, A. High-speed stimulated Brillouin scattering spectroscopy at 780 nm. APL Photonics. 1 (6), 061301 (2016).
  12. She, C. Y., Moosmüller, H., Herring, G. C. Coherent light scattering spectroscopy for supersonic flow measurements. Appl. Phys. B-Lasers O. 46 (4), 283-297 (1988).
  13. Fiore, A., Zhang, j, Peng Shao,, Yun, S. H., Scarcelli, G. High-extinction virtually imaged phased array-based Brillouin spectroscopy of turbid biological media. Appl. Phys. Lett. 108 (20), 203701 (2016).
  14. Taking a Measurement with Your Computer. , Available from: http://www.ni.com/webcast/1673/en (2014).

Tags

הנדסה גיליון 127 מגורה ברילואן פיזור ספקטרוסקופיה לא לינארית ניתוח חומר רגיש שלב זיהוי אדי תאים ספקטרומטרים
ספקטרומטר פיזור מהיר ברילואן מגורה מכ לניתוח גשמי
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Remer, I., Cohen, L., Bilenca, A.… More

Remer, I., Cohen, L., Bilenca, A. High-speed Continuous-wave Stimulated Brillouin Scattering Spectrometer for Material Analysis. J. Vis. Exp. (127), e55527, doi:10.3791/55527 (2017).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter