Waiting
Login processing...

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

Engineering

Høyhastighets Continuous-wave stimulert Brillouin spredning Spectrometer for materielle analyse

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

Vi beskriver byggingen av en rask continuous-wave-stimulert-Brillouin-spredning (CW-SBS) spectrometer. Spectrometer har enkelt-frekvens diode-lasere og en atomic damp støyfilter å erverve overføring spektra av grumset/ikke-grumset prøver høy spectral-oppløsning med hastigheter opptil 100-fold raskere enn eksisterende CW-SBS spektrometre. Denne forbedringen muliggjør høyhastighets Brillouin materiale analyse.

Abstract

De siste årene har sett en betydelig økning i bruken av spontan spektrometre Brillouin for ikke-kontakt analyse av myke materie som vandige løsninger og biologisk materiale, med rask oppkjøpet ganger. Her diskuterer vi forsamlingen og drift av en Brillouin spectrometer som bruker stimulert Brillouin spredning (SBS) å måle stimulert Brillouin gevinst (SBG) spektra av vann og lipid krembasert vev som prøver overføringsmodus med < 10 MHz Spectral oppløsning og < 35 MHz Brillouin-Skift måling presisjon i < 100 ms. spectrometer består av to nesten mot spre continuous-wave (CW) smal-linewidth lasere på 780 nm som frekvens detuning er skannet gjennom den materiale Brillouin SKIFT. Ved hjelp av en ultra-Smalbånd hot lepidolitt-85 damp støyfilter og en fase-sensitive detektor, signal-til-støy-forholdet mellom SBG signalet er betydelig forbedret sammenlignet det med eksisterende CW-SBS spektrometre. Denne forbedringen gjør det mulig for måling av SBG spectra med opptil 100 ganger raskere oppkjøpet ganger, og dermed tilrettelegge høy spectral oppløsning og høy presisjon Brillouin analyse av myke materialer i høy hastighet.

Introduction

Spontan Brillouin spektroskopi er etablert, de siste årene, som en verdifull tilnærming for mekanisk analyse av myke materialer, slik som væsker, ekte vev, vev phantoms og biologiske celler1,2, 3,4,5,6,7. I denne tilnærmingen, en enkelt laser lyser prøven og lys inelastically Balloon spontan termisk akustiske bølger i medium samles inn av et spektrometer, gir nyttig informasjon om egenskapene viskoelastiske prøven. Spontan Brillouin spekteret omfatter to Brillouin topper på akustisk Stokes og anti-Stokes resonanser av materiale og en Rayleigh peak på belyse laser frekvensen (på grunn av elastisk spredte lys). En Brillouin backscattering geometri, Brillouin frekvenser er forskjøvet flere GHz fra opplysende laser frekvensen og har spectral bredden på hundrevis av MHz.

Mens skanning Fabrys-Perot spektrometre har vært det systemer av valget for å skaffe spontan Brillouin spectra i myke spørsmål1,2, fotografert siste teknologiske fremskritt i nesten fase matrise (VIPA) spektrometre har aktivert betydelig raskere (sub sekund) Brillouin mål med tilstrekkelig spectral-oppløsning (sub-GHz)3,4,5,6,7. I denne protokollen presenterer vi byggingen av en annen, høy hastighet, høy spectral oppløsning, nøyaktig Brillouin spectrometer basert på deteksjon av continuous-wave-stimulert-Brillouin-spredning (CW-SBS) lys fra ikke-grumset og grumset eksemplene i en nesten tilbake spredning geometri.

CW-SBS spektroskopi overlapper continuous-wave (CW) pumpe og sonde lasere, aposyntonistika i frekvens, i en prøve å stimulere akustiske bølger. Når en frekvens forskjell mellom pumpe og sonde bjelker samsvarer med en bestemt akustisk resonans av materialet, er forsterkning eller deamplification av sonden levert av stimulert Brillouin gevinst eller tap (SBG/SBL) prosesser. ellers oppstår ingen SBS (de) forsterkning8,9,10,11. Dermed en SBG (SBL) spektrum kan ervervet av skanning en frekvens forskjell mellom lasere over materiale Brillouin resonanser og oppdage økning (reduksjon) eller gevinst (tap), i sonde intensiteten på grunn av SBS. Til forskjell fra spontan Brillouin spredning, elastisk spredning bakgrunn er iboende fraværende i SBS, aktivere ypperlig Brillouin kontrast i både grumset og ikke-grumset prøver uten behov for Rayleigh avvisning filtre som kreves i VIPA spektrometre10,11,13.

De viktigste byggeklossene i en CW-SBS spectrometer er pumpen og sonde lasere og stimulert Brillouin Kontraktresultat detektoren. For høy spectral oppløsning, høy hastighet CW-SBS spektroskopi, lasere må være enkelt-frekvens (< 10 MHz linewidth) med tilstrekkelig bredt bølgelengde tunability (20-30 GHz) og skanning (> 200 GHz/s), langsiktig frekvens stabilitet (< 50 MHz/h) og lav intensitet. Videre lineært polarisert og Diffraksjon-begrenset laser bjelker med makten til få hundre (tens) av mW på prøven kreves for pumpe (sonde) strålen. Til slutt, stimulert Brillouin Kontraktresultat detektoren bør være utformet å oppdage svak bakover stimulert Brillouin Kontraktresultat (SBG/SBL) nivåer (10-5 - 10-6) i myk saken. For å møte disse behovene, vi valgte distribuert tilbakemelding (DFB) diode laser kombinert polarisering-opprettholde fibre sammen med en stimulert Brillouin gevinst/tap detektor kombinerer en ultra-Smalbånd atomic damp støyfilter og en høy frekvens Single-modulering låsbare forsterker som illustrert i figur 1. Denne oppdagelsen ordningen dobler intensiteten av SBG signalet mens redusere støy i sonde intensiteten, der ønsket SBG signalet er innebygd11. Merk at rollen atomic damp-støyfilter i våre SBS spectrometer å redusere påvisning av uønskede spredt pumpe refleksjoner, i stedet for å redusere elastisk spredning bakgrunnen som VIPA spektrometre som gjenkjenner begge spontan Rayleigh og Brillouin spredt lys. Bruker protokollen nedenfor, en CW-SBS spectrometer kan konstrueres med evnen til å anskaffe overføring spektra av vann og vev fantomer SBG nivåer så lavt som 10-6 på < 35 MHz Brillouin-Skift måling presisjon og innen 100 ms eller mindre.

Figure 1
Figur 1: Continuous-wave stimulert Brillouin spredning (CW-SBS) Spectrometer. To continuous-wave pumpe og sonde diode laser (DL), frekvens nedstemte rundt Brillouin skifte av prøven, er koblet til vedlikehold av polarisering single-modus fiber med collimators C1 og C2, henholdsvis. Pumpe-sonden frekvens forskjell måles ved å registrere beat frekvensen mellom bjelker skrelles fra pumpen og sonde lasere med en fiber splittere (AS), en rask photodetector (FPD) og en frekvens teller (FC). S-polarisert sonde strålen (lys rød), utvidet med en Keplerian strålen expander (L1 og L2), er riktig sirkulært polarisert av en kvart-bølge plate (λ1/4) og fokusert på prøven (S) av en achromatic linse (L-3). Effektiv SBS samhandling og optiske isolert, pumpe strålen (dyp rød), utvidet med en Keplerian strålen expander (L5 og L6), er første P-polarisert bruker en halv-bølge plate λ2/4), deretter overføres gjennom et polariserende stråle splitter (PBS), endelig venstre sirkulært polarisert av en kvart-bølge plate (λ2/4) og fokusert på prøven med en achromatic linse (L4, samme som L3). Merk at pumpen og sonde bjelker nesten mot overføres i utvalget og at en S-orientert polarisator (P) ble brukt til å hindre P-polarisert pumpe strålen (kommer ut av λ1/4) fra inn sonden laser. For låsbare deteksjon modulert pumpe strålen sinusoidally fm med en acousto-optiske modulator (AOM). SBG signalet, manifestert som intensitet variasjoner på frekvens fm (se innfelt), er demodulerte meden bindingstid forsterker (LIA) etter oppdagelsen av et stort område photodiode (PD). For betydelige eliminering av spredt pumpe refleksjoner i photodiode brukes en Smalbånd Bragg filter (BF) og en atomic støyfilter (85RB) rundt pumpen bølgelengden sammen med en lys-blokkerende iris (I). Data er registrert av et oppkjøp datakort (DAQ) koblet til en personlig datamaskin (PC) for videre analyse av Brillouin spekteret. Alle sammenleggbare speil (M1- M6) brukes til å passe spectrometer på en 18'' × 24'' brødfjel som er loddrett montert på optiske bordet for å tilrettelegge plassering av vannaktig prøver. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Merk: ikke annet er angitt, (i) koble alle mounts strammes innlegget baser med en klem gaffel eller montering base til tabellen optisk og legge holdere, og (ii) bruk utgang laser krefter 2-10 mW for alle justering prosedyrer.

Merk: slå på alle elektriske/Optoelektronisk enheter i oppsettet og 30 min for warmup tid før bruk.

1. forbereder sonden strålen optiske banen

  1. montere og justere fiber collimator av sonden laser.
    1. Koble inn fiber av en 33:67 FC/APC polarisering-opprettholde fiber splitter (port T av FS 1) til fiber kabelendene av sonden laser. Koble 67%-output fiber splitterens fiber (port 1 FS 1) til fiber collimator (C-1). Fest fiber-collimator til en 6-akse Kinematisk mount (Ø x, Ø y, Ø z, x, y, z). Plasser en makt meter bak fiber-collimator og Maksimer effekten fra laseren ved å justere x, y og z skruer på Laseren fiber kabelendene.
    2. Rotere fiber-collimator (eller optiske elementet å bli justert) for å justere laseren polarisering i S-polarisering retning, som her er vinkelrett optisk bordet flyet. Bekrefte at laserstrålen S-polarisert ved å måle minimum (maks) laser overføring (refleksjon) gjennom en ekstra polariserende strålen splitter med en strømmåleren.
    3. Montere to ekstra justering iriser i en identisk høyde fra tabellen optisk (3 ' ' i dette oppsettet). For strålen forplantning langs den optiske aksen av systemet og parallell til tabellen optisk, bør denne høyden opprettholdes konstant under justering av hele systemet. Plasser en iris i en tabell monteringshul bak fiber-collimator (eller optiske elementet å bli justert) < 50 mm avstand. Plasser andre iris i en kollineare tabellen monteringshul tilstrekkelig langt fra første iris (> 300 mm).
    4. Juster utgang strålen fiber-collimator (eller optiske elementet å bli justert) langs den optiske aksen av systemet ved å justere x, y, Ø x og Ø y skruer av Kinematisk fjellet til laserstrålen er konsentriske til den midten av både iriser.
  2. Satt opp en Keplerian strålen ekspander.
    1. Montere en linse (L 1, f 1 = 25 mm) i en fast optisk mount.
    2. Montere to ekstra justering iriser ved å følge fremgangsmåten i 1.1.3. Justere fint lateral posisjon og banen vinkel av linsen slik at overførte strålen er konsentriske til midten av både iriser.
    3. Montere en andre linse (L 2, f 2 = 50 mm) i en fast optisk mount. Fest mount innlegget base til en lineær translasjonsforskning scene justert til den optiske aksen av systemet. Plass scenen slik at objektivet er på avstand av f-1 + f 2 fra den første linsen. Peke linsen som beskrevet i 1.2.2.
    4. Sted en skjæring interferometer bak andre objektivet å bekrefte at strålen er collimated. Oversette andre linsen langs den optiske aksen av systemet til forstyrrelser utkanten produsert er parallell i referanselinjen styrt på diffuser platen av klippe interferometer.
  3. Kaste ut bjelken av bjelke expander.
    1. Montere et speil (M 1) i en Kinematisk mount med pitch (Ø x) og yaw (Ø y) justeringer. Orientere speilet skal 45 o med hensyn til den optiske aksen langs elementer C 1 - L 1 - L 2.
    2. Montere to ekstra justering iriser ved å følge fremgangsmåten i 1.1.3. Juster Ø x og Ø y skruer av speil fjellet til reflektert strålen er konsentriske til midten av både iriser som definerer den optiske aksen systemet.
  4. Satt opp eksempel belysning optikk.
    1. Mount en null-order kvartal-bølge plate (λ 1 / 4) i en 6-akse Kinematisk mount (Ø x, Ø y, Ø z, x, y, z) i en avstand på ca 150 mm fra folding speilet (M-1), forlater nok plass til å plassere en polarisator (P) før waveplate som beskrevet i 2.7. Rotere waveplate ved 45 o med hensyn til den raske aksen til en sirkulær polarisering tilstand.
    2. Montere en fokus linse (L-3, f 3 = 30 mm) i samme Kinematisk mount av waveplate. Justere strålen overføres gjennom linsen ved å følge fremgangsmåten i 1.1.3-4.
  5. Sette opp samlingen optikk prøven.
    1. Mount en 6-akse Kinematisk mount (Ø x, Ø y, Ø z, x, y, z) på en differensial lineær scenen translasjonsforskning i en avstand på ca 60 mm fra fokus objektivet (L-3). Montere en null-order kvartal-bølge plate (λ 2 / 4) i Kinematisk mount. Rotere waveplate ved 45 o med hensyn til sin raske akse og bekrefte at laserstrålen er S-polarisert ved å følge fremgangsmåten i 1.1.2.
    2. Montere en samling linse (L 4, f-4 = 30 mm) i samme Kinematisk mount av waveplate. Juster strålen overføres gjennom linsen ved å følge fremgangsmåten i 1.1.3-4. Bekrefte at strålen er collimated som beskrevet i 1.2.4.
    3. Montere et polariserende bjelke-splitter kuben (PBS) på en Kinematisk montere med pitch (Ø x) og yaw (Ø y) justeringer og plassere den bak waveplate (som vist i figur 1). Montere to ekstra justering iriser ved å følge fremgangsmåten i 1.1.3. Juster Ø x og Ø y skruer av bjelke-splitter fjellet til reflektert strålen er konsentriske til midten av både iriser som definerer den optiske aksen systemet.

2. Forberede den pumpe strålen optiske banen

  1. montere og justere fiber collimator av pumpe laser.
    1. Koble fiber av forsterket porten av pumpen Laseren fiber collimator (C 2). Montere og justere fiber collimator av pumpe laser som beskrevet i 1.1.3 - 4.
  2. Stille pumpen bølgelengden til rubiduim-85 D2 F g = 3 absorpsjon linje.
    1. Sett en lepidolitt-85 damp celle bak fiber collimator av pumpe laser (C 2).
    2. Plassere en ekstra photodetector bak damp cellen å måle overføring av pumpen strålen gjennom cellen. Koble til photodetector til et oscilloskop. Trykk på ' Autoset ' knappen på oscilloskop automatisk angi amplitude og tid spor av avlesning signalet fra photodetector.
    3. satt grovt laser bølgelengden til lepidolitt D2 absorpsjon linje, 780.24 nm, ved å slå temperatur knotten på laser-kontrolleren til et nivå der minimum lystransmisjon måles gjennom lepidolitt cellen ved Aux photodetector ( Se trinn 2.2.2). Angi laser temperaturen til identifiserte nivå.
    4. Koble til produksjon av en funksjonsgenerator til gjeldende moduleringshjul inndata av pumpe laser kontrolleren.
    5. Bruker en trekant bølge fra en funksjonsgenerator til gjeldende moduleringshjul inndata av laser kontrolleren sakte skanne laser bølgelengde over 60 pm (30 GHz). Dette Trykk på ' velger du kanalen ' knappen på funksjonsgenerator og velg kanal 1. Trykk på ' rampen ' knappen og deretter på ' kontinuerlig ' knappen for å angi kanalen for å produsere en trekant bølgeform. Trykk på ' Amplitude ' snarvei knapp å sette bølgeform amplituden til 2,25 Vpp (topp-til-topp spenning) og ' frekvens/periode ' snarvei for å sette bølgeform frekvensen til 5 mHz. Til slutt, trykk på ' på ' for å slå på kanalen av funksjonsgenerator.
    6. Identifisere så nøyaktig som mulig gjeldende nivå som bringer pumpe bølgelengden til lepidolitt-85 D2 F g = 3 absorpsjon linjen ved å måle minimum lystransmisjon gjennom lepidolitt cellen med den ekstra photodetector (se Trinn 2.2.2). Angi laser gjeldende til identifiserte nivå ved å vri på gjeldende bryteren på laser-kontrolleren. Fjern lepidolitt cellen og den ekstra photodetector. Til sist, frakople funksjonsgenerator fra gjeldende moduleringshjul input av laser kontrolleren.
  3. Montere og justere laser-line rydde opp filteret.
    1. Plass laser-line rydde opp filteret (et reflekterende Bragg filter; BF) i en Kinematisk montere med pitch (Ø x) og yaw (Ø y) justeringer i en avstand på 250 mm fra fiber collimator (C 2).
    2. En makt meter i (refleksjon) optisk overføringsbane filter og minimere (Maksimer) stråle strøm ved å rotere filteret i tonehøyde aksen tilsvarer Bragg inn vinkelen (8 o i dette oppsettet). Justere fint Ø x og Ø y skruer på Kinematisk festet optimalisere justering.
    3. Fold strålen reflekteres av filteret tilbake til en retning parallelt som avhenger på filteret av input bruker to speil (M 2, M 3) montert på Kinematisk monterer med pitch og yaw justeringer.
    4. Montere to ekstra justering iriser ved å følge fremgangsmåten i 1.1.3. Juster Ø x og Ø y skruer på begge speil mounts til strålen reflekteres fra andre speilet er konsentriske til midten av både iriser som definerer den optiske aksen systemet.
  4. Montere og justere acousto-optiske modulator.
    1. Mount og justere en linse (L 5, f 5 = 100 mm) å fokusere strålen pumpe i en acousto-optiske modulator (AOM) som beskrevet i 1.2.2. Etter linsen aliment, Fjern forsiktig linsen L 5 fra sin mount før plassere AOM for å unngå skade på AOM.
    2. Montere AOM på en 5 akser plattform (Ø x, Ø y, x, y, z) i en avstand på ca 100 mm fra fokus objektivet (L 5). Kontroller at pumpen strålen overføres via vinduet ved inngangen av modulator er S-polarisert (se 2.1.2) yteevnen modulator.
    3. Koble til RF produksjon av modulator driveren til RF-inngangen på modulator bruker en 50-Ω koaksialkabel. Slå på driveren og trykk den ' modus ' knappen på sjåfør slik at acousto-optiske modulator opererer i continuous-wave modus.
    4. Plasserer en makt meter bak modulator utdataene måle kraften av første orden diffracted strålen bare. Justere Bragg vinkelen på modulator å maksimere kraften av første orden diffracted strålen av roterende modulator i tonehøyde aksen (Ø x).
    5. Omplassere finelythe fokus linse (L 5) i sin mount å fokusere strålen pumpen i modulator og oppnå ønsket rask stigning/fall tid (10 ns på ~ 50 µm strålen diameter fokus i dette oppsettet). Justere x, y, z, Ø x og Ø y skruer for montering plattform modulator å maksimere kraften av første orden diffracted strålen.
    6. Brett bjelken på modulator utgangen til retning parallelt med strålen ved modulator inngang med to speil (M 4, M 5) montert på Kinematisk monterer pitch (Ø x) og yaw (Ø y) justeringer som beskrevet i 2.3.3-4.
    7. Mount og justere en andre linse (L 6, f 6 = 200 mm) i en avstand på f 5 + f 6 fra fokus linsen på modulator innspill til collimate modulert pumpe strålen som beskrevet i 1.2.3-4. Dette objektivet med fokusere linse på modulator dataskjemaet en Keplerian strålen expander for pumpe strålen, matchende pumpen og undersøke strålen diameter før fokus på prøven (S).
  5. Satt opp pumpen P-polarisering optikk. Montere en null-order halv-bølge plate (λ/2) i en rotasjon mount. Plass waveplate bak andre linsen av Keplerian beam expander av pumpen strålen (L 6). Roter waveplate for å justere bjelken i P-polarisering retning, som her er parallelt med optisk bordet flyet. Bekrefte at laserstrålen P-polarisert ved å måle maksimal (minimum) laser overføring (refleksjon) gjennom en ekstra polariserende strålen splitter med en strømmåleren.
  6. Fold og sideveis Skift bjelken på utgangen av waveplate.
    1. Montere et speil (M 6) i en Kinematisk mount med pitch (Ø x) og yaw (Ø y) justeringer i en avstand på 50 mm fra halv-bølge platen (λ/2). Knytte innlegg basen av Kinematisk fjellet til en lineær translasjonsforskning scene justert til den optiske aksen av systemet. Orientere speilet skal 45 o med hensyn til den optiske aksen langs elementer λ/2-PBS.
    2. Juster strålen reflekteres fra speilet og de polariserende stråle splitter som beskrevet i 1.3.1-2. Bekrefte at pumpen strålen overført gjennom polariserende strålen splitter er kollineare med sonde strålen optisk bane ved hjelp av en laser viser kort
    3. Oversette speilet ved 3 mm i en retning som er vinkelrett på den optiske aksen av pumpe-sonden fokus linser (L 4-L 3) å produsere off-aksen pumpe belysning av prøven (S) som minimerer spredt pumpe refleksjoner.
  7. Satt opp pumpen blokkerer optikk i sonde optisk bane. Montere en lineær polarisatoren (P) i en rotasjon mount. Plasser polarisatoren mellom folding speilet (M 1) og den første waveplate (λ 1 / 4) i sonde optisk bane, ca 75 mm fra hver av disse komponentene. Rotere polarisatoren å minimere (Maksimer) overføring av pumpen (sonde) bjelken.

3. Forberede ordningen for å oppdage frekvens Detuning pumpen og sonde lasere

  1. satt opp fiber optikk for sonde og pumpe lasere.
    1. Koble inn fiber av en 50/50 FC/APC polarisering-opprettholde fiber splitter (port 1 FS 2) til den fiber coupler på ikke-forsterket havnen pumpe laser. Koble 33%-output fiber splitterens sonde fiber (port 2 FS 1) til 50%-input fiber splitterens pumpe fiber (port 2 FS 2) bruker en mating ermet.
    2. Måle optisk kraften på utgang fiber splitterens 50/50 pumpe fiber (port T av FS 2) med en makt meter og sikre totale optisk makt er < 10 mW å hindre metning av fiber-kombinert photodetector (FPD). Koble utgang fiber splitterens 50/50 pumpe fiber (port T av FS 2) til inngangen av et høyhastighets fiber-kombinert photodetector.
  2. Koble K mannlige kontakten til den raske photodetector direkte til K kvinnelige kontakten av GHz-båndet i en mikrobølgeovn-frequency counter (FC).

4. Sette opp the stimulert Brillouin gevinst/tap detektor

  1. forberede lepidolitt-85 damp cellen.
    1. Brytes hele cellen med en termisk ledende pad. Vikle et varmen tape rundt kantene av cellen. Plass en thermocouple på midten av cellen å overvåke oppvarming temperatur. Kontroller at thermocouple ikke touch varmen tape. Koble thermocouple til et termometer til å lese ut celle temperaturen.
    2. Brytes hele cellen med en polytetrafluoroethylene tape til varmen tape og thermocouple deres steder og termisk isolere cellen fra miljøet. La slutten av varmen tape uhindret på begge kanter. Wire de to fører av varme tape til en 0-30 V, 5 en likestrøm.
    3. Montere cellen i refleksjon optiske banen til polariserende strålen splitter (PBS). Sikre at sonden strålen treff midten av cellen.
    4. Montere en iris (I) før cellen. Åpne iris slik at sonden strålen kan helt passere gjennom. Denne iris bistår i å redusere spredt pumpe refleksjoner.
  2. Satt opp av photodetector.
    1. Stedet photodetector (PD) bak lepidolitt cellen. Photodetector, i en aluminium boks, består av et stort område photodiode og en hjemmelaget RC low pass-filteret (R = 1 kΩ, C = 0,1 µF) som reduserer støyen av omvendt bias spenning. Sikre at sonden strålen treff midten av photodiode ved hjelp av en laser viser kort
    2. Koble photodiode katoden terminal til 0-30 V, 5 en DC strømforsyning med en 50 Ω koaksialkabel. Bruke en omvendt skjevhet av 25 V, ved å slå spenning knotten på strømforsyningen, slik at photodiode drives i fotoledende modus for høyfrekvent gjenkjenning.
  3. Satt opp låsbare forsterkeren.
    1. Koble photodetector til et 50Ω koaksial low pass-filter (LPF) for 1,9 MHz båndbredde bruker en 50 Ω koaksialkabel. Koble til produksjon av koaksial LPF direkte til signalet inngangen på forsterkeren bindingstid (LIA). Trykk på ' Sig-Z i ' knappen på låsbare forsterkeren å angi signalet inngangsimpedans låsbare forsterker som skal 50Ω.
    2. Koble kanal 1 av en funksjonsgenerator til referansen input av den låsbare forsterkeren bruker en 50 Ω koaksialkabel. Trykk på ' velger du kanalen ' knappen på funksjonsgenerator og velg kanal 1. Trykk på ' sinus ' knappen og deretter på ' kontinuerlig ' knappen for å angi kanalen for å produsere en sinusformet bølgeform. Trykk på ' Amplitude ' snarvei knapp å sette bølgeform amplituden til 0,7 Vpp og ' frekvens/periode ' snarvei for å sette bølgeform frekvensen til f m = 1.1 MHz.
    3. Koble kanal 2 av funksjonsgenerator til eksterne analog inngang av acousto-optiske modulator driveren bruker en 50 Ω koaksialkabel. Følg fremgangsmåten i 4.3.2 sette en 1 Vpp, f m = 1.1 MHz sinusformet bølgeform på kanal 2.
    4. Trykk på ' på ' knappen på funksjonsgenerator aktivere kanal 1 og 2 og låse forholdet deres fase ved å trykke på ' Juster fase ' ramme-knappen på funksjonsgenerator.
    5. Bytte i ' modus ' knappen på acousto-optiske modulator sjåføren å ' Normal ' tilstand. Pumpen strålen er nå optisk modulert f m = 1.1 MHz.

5. Endelig preparater av systemet og ytelsesoptimering

  1. satt opp av datainnsamling enhet
    1. Koble analoge utgangen av mikrobølgeovn frekvens telleren (FC) til en analog inngang av data oppkjøp (DAQ) bruker en koaksialkabel. Trykk på ' DAC ', ' 1 ' og ' 0 ' knapper på frekvensen disken å sette frekvens avlesning nøyaktigheten til 10 MHz. Denne kanalen overvåker pumpe-sonden frekvens detuning.
    2. Koble til ' X ' produksjon av låsbare forsterkeren (LIA) til andre analog input av data oppkjøpet enheten bruker en koaksialkabel. Trykk på ' utgang '-knappen på den ' X ' kanal på låsbare forsterkeren å aktivere kanalen. Bruke denne kanalen skjermer stimulert Brillouin gevinst (SBG) signal nivå.
    3. Dele en utdatakanal av en funksjonsgenerator i to separate kanaler som bruker en BNC-tee-kobling. Koble én kanal til gjeldende moduleringshjul innspill sonde laser kontrolleren og den andre kanalen til den tredje analog inngangen av data oppkjøp med koaksial kabler. Bruk denne andre kanalen hente gjeldende moduleringshjul signalet fra sonden laser.
    4. Koble USB-utgangen av data oppkjøpet enheten til en datamaskin. Skriv et program i en data oppkjøpet programvarepakke til å visualisere og registrere ovenfor beskrevet signalene fra de data oppkjøp enhet 14.
  2. Montere en vann utvalget i måling kammeret.
    1. Fyll en hjemme-bygget 500 µm tykke glass kammer med destillert vann. Kammeret er består to runde 25 mm diameter 0,17 mm tykt glass coverslips linjeavstand av en 500 µm tykke polytetrafluoroethylene tape.
    2. Montere en kammer holder på en 3-akse motorisert oversettelse scene. Plasser måling kammeret i holderen og oversette det til felles fokuspunktet sonde og pumpe fokus linser (L-3 og L 4, henholdsvis) bruke motoriserte scenen.
  3. Varme lepidolitt cellen.
    1. Laser sikkerhet briller for 780 nm laser brukes. Øke kraften av pumpe laser å få > 250 mW på prøven ved å vri på gjeldende bryteren på konisk forsterker kontrolleren og måle kraften like før prøven med en strømmåleren.
    2. Sett tiden konstant på låsbare forsterkeren (LIA) 1 s ved å trykke på ' betale opp/ned ' knapper på låsbare forsterkeren. Angi low pass-filteret på låsbare forsterkeren til 24 dB/oktober ved å trykke på ' Filter skråningen opp/ned ' knapper. Angi låsbare forsterker følsomheten til 1 mVrms ved å trykke på ' Sens opp/ned ' knapper. Bruke funksjonen Juster fase av låsbare forsterkeren for å justere faseskift mellom referanse og signal innganger av forsterkeren til null ved å trykke på ' Skift ' og ' fase ' knapper.
    3. Overvåke spredt pumpe refleksjoner ved å observere readouts på den ' X ' kanal av låsbare forsterkeren.
    4. Retune pumpe bølgelengden til rubiduim-85 D 2 F g = 3 absorpsjon linje ved forsiktig å aktivere gjeldende knotten laser kontrolleren å oppnå et minimum spredt pumpe refleksjon avlesning på den ' X ' kanal av låsbare forsterkeren.
    5. Angi 17 V DC på makt levere koblet til varmen tape å varme opp lepidolitt cellen 90 o C. vent et par minutter før termometer avlesning stabiliserer på ønsket celle temperaturen. Merk: Signalet readouts observert på den ' X ' kanal av låsbare forsterkeren bør raskt slippe under oppvarming (på grunn av den betydelige økningen i absorpsjonen av cellen).
  4. Måle og optimalisere SBG signalet i vann.
    1. Øke kraften av sonden laser å få > 10 mW på prøven ved å vri på gjeldende bryteren på laser-kontrolleren og måle kraften like før prøven med en strømmåleren.
    2. Grovt tune sonde bølgelengden til rubiduim-85 D2 F g = 3 absorpsjon linjen ved å slå temperatur knotten på sonde laser kontrolleren og måle et minimum laser makt nivå bak lepidolitt cellen med en strømmåleren.
    3. fininnstille sonde bølgelengden å være lengre enn pumpe bølgelengden ved å aktivere gjeldende knotten sonde laser kontrolleren til > 10 mW, ca konstant, laser makt nivåer måles bak lepidolitt cellen med en strømmåleren. Merk: Hvis sonde bølgelengden er kortere enn pumpe laser, deretter ytterligere absorpsjon bånd lepidolitt-85 cellen redusere sonde makt på cellen utgangen.
    4. Angi frekvensen detuning mellom pumpe og sonde lasere å matche Brillouin skifte av vann (~ 5 GHz) ved å vri på gjeldende bryteren på sonde laser kontrolleren og observere frekvensen detuning readouts på frekvensen telleren (FC). Merk: For negative (positive) første orden diffracted strålen, disse readouts bør være større (mindre) enn Brillouin skifte av RF kjøring frekvensen av acousto-optiske modulator (210 MHz i dette oppsettet).
    5. Satt låsbare forsterker følsomheten til 100 µVrms og Juster faseskift mellom referanse og signal innganger av forsterkeren til tallet null ved hjelp av fremgangsmåten i 5.3.3.
    6. Optimere krysset effektiviteten av pumpen og sonde bjelker av (i) fint justere Ø x og Ø y skruer på Kinematisk mount av folding speilet av pumpen strålen (M 6), og (ii) noe oversette pumpen fokus linse (L 4) langs den optiske aksen systemet.
    7. Kontroller at høyere signal readouts på den ' X ' kanal av låsbare forsterkeren føre hovedsakelig fra en økt SBG-signal (fremfor spredt pumpe refleksjoner) ved å blokkere sonde strålen og måle uendret nivåer av spredt pumpen refleksjoner på den ' X ' kanal av låsbare forsterkeren.
    8. Gjenta trinn 5.4.6-7 til SBG signalet når maksimum (> 2 µVrms), mens spredt pumpe refleksjoner på en uendret minimumsnivå.

6. Måle og analysere en SBG spektrum

  1. opprette en kalibreringskurven av sonden modulering gjeldende vs pumpe-sonden frekvens detuning.
    1. Angi frekvensen detuning mellom pumpe og sonde lasere til 5 GHz (rundt Brillouin skifte vann) ved å dreie den gjeldende bryteren på sonde laser kontrolleren.
    2. Trykk på ' RES ' og ' 5 ' knapper på mikrobølgeovn frekvens telleren (FC) sette porten tid 1 ms, gir et utvalg intervall på 100 ms mellom påfølgende frekvens detuning målinger. Bruke en trekant bølge til gjeldende moduleringshjul inndata av sonden laser kontrolleren ved å følge fremgangsmåten i 2.2.5 bølgeform amplitude og frekvens parametere av 150 mVpp og 50 mHz, henholdsvis. Dette vil tillate sakte skanne sonde bølgelengde (og dermed pumpe-sonden frekvensen detuning) over 2 GHz.
    3. Angir samplingshastigheten av data oppkjøp (DAQ) til 100 prøver/s/kanal og registrere pumpe-sonden frekvens detuning og undersøke laser modulering gjeldende signaler fra oppkjøpet dataenhet for 20 s (over 4-6 GHz) med datatypen hjem skrevet oppkjøpet program.
    4. Laste måledataene i beregningsorientert programvare. Passe pumpe-sonden frekvens detuning data med en lineær modell. Merk at det er også mulig å bruke en polynom tilpasning av høyere orden (på grunn av nonlinearity av pumpe-sonden frekvensen detuning mål). Passer også sonde laser modulering gjeldende data med en lineær modell.
    5. Genererer kalibreringskurven ved å lagre i beregningsorientert programvare pumpe-sonden frekvensen detuning passer prøver som en funksjon av sonden modulering gjeldende passer prøver.
  2. Måle en SBG spekteret i høy hastighet.
    1. Montere den prøve-under-testen (S), for eksempel, destillert vann som brukes i forsøkene, som beskrevet i 5.2.1 Oppgi - 2. Gjenta trinn 5.4.1 - 8.
    2. Satt låsbare forsterker (LIA) tiden konstant til ≥ 100 µs ved å trykke på ' betale opp/ned ' knapper på låsbare forsterkeren. Bruke en trekant bølge til gjeldende moduleringshjul inndata av sonden laser kontrolleren ved å følge fremgangsmåten i 2.2.5 bølgeform amplitude og frekvens parametere av 150 mVpp og 50 Hz, henholdsvis. Dette vil tillate å raskt skanne sonde bølgelengde (og dermed pumpe-sonden frekvensen detuning) over 2 GHz.
    3. Angir samplingshastigheten av data oppkjøp (DAQ) ≤ 100.000 prøver/s/kanal, og SBG og sonden laser modulering gjeldende signaler fra data oppkjøpet enheten for ≥ 10 ms (over 4-6 GHz) ved hjelp av hjemme-skrevet data oppkjøpet program.
  3. Effekter og analysere SBG spekteret.
    1. Last måledataene registrert i 6.2.6 i beregningsorientert programvare.
    2. Konvertere målt sonde laser modulering gjeldende verdier til pumpen-sonden frekvens detuning verdier ved å identifisere disse verdiene i kalibreringskurven lagret i 6.1.5.
    3. Trekker gjennomsnittlig støy gulvet fra spekteret og visualisere SBG spekteret ved plotting SBG målinger mot pumpe-sonden frekvensen detuning verdier.
    4. Passer spekteret med Lorentzian sving. For første gjette i parameterne Lorentzian, bruke amplitude, frekvens posisjon og full bredde på halvparten av det høyeste punktet av spekteret.
    5. Beregner Brillouin Skift og linewidth av testet prøven ved å hente frekvens plasseringen av maksimum og full bredde på halv-maksimalt Lorentzian passer, henholdsvis.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Tallene 2b og 3b viser typisk punkt SBG spektra av destillert vann og lipid-emulsjon vev phantom prøver (med 2,25 spredning hendelser og en demping koeffisient av 45 cm-1) målt i 10 ms og 100 ms, henholdsvis. Til sammenligning vi målt til SBG spectra i 10 s som vist i tall 2a og 3a. I disse målinger, lepidolitt-85 damp cellen ble oppvarmet til 90 ° C for demping spredt pumpe refleksjoner av ~ 104 og overføre > 95% av sonden lys; nivåer som var stabil for over en h11. Også romlig oppløsning, definert her som den laterale full bredden på halv-maksimalt SBS intensitet oppdaget fra fokus, ble anslått til ca 8 µm10. Gjennomsnittet Brillouin skifter innhentet fra til raskt ervervet spectra i vann og vev phantoms var 5,08 GHz og 5,11 GHz, henholdsvis. Disse Brillouin Skift estimatene er sammenlignbare beregnet fra spectra i 10 s og til tidligere publiserte Brillouin data av vandig prøver9,10,11. Senkninger i tallene viser histogrammer for Brillouin Skift estimatene Hentet fra 200 påfølgende målinger av SBG spectra. Presisjonen for innhentet Brillouin skiftet ble evaluert i form av standardavviket for en Gauss-fordelingen passer for observert Brillouin Skift fordelingen. Standardavvik 8,5 MHz og 33 MHz ble innhentet i vann og vev phantom utvalgene, som representerer en høy måling presisjon for å oppdage subtile endringer i materialet mekanikk. Selv om strømnivået pumpen brukes her var høy (~ 250-270 mW), varme på grunn av absorpsjon av vann på 780 nm ble anslått til < 0,53 K, og dermed kan bli neglisjert i vandig utvalgene brukt i dette arbeidet10. Videre ingen kortsiktige ustabilitet av SBG spektra av vann og lipid-emulsjon prøvene ble observert under 120 s kontinuerlig eksponering av prøvene å disse strømnivå.

Figure 2
Figur 2: stimulert Brillouin få (SBG) Spectra vann. Representant SBG spektra av vann ervervet i (en) 10 s og (b) 10 ms. prikker og heltrukne linjer står for målingsverdiene og Lorentzian passer, henholdsvis. Insets viser tilsvarende histogrammer Brillouin Skift estimater over vann. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 3
Figur 3: stimulert Brillouin få (SBG) spektra av vev fantomer. Representant SBG spektra av lipid-emulsjon vev fantomer (med 2,25 spredning hendelser og en demping koeffisient av 45 cm-1) ervervet i (en) 10 s og (b) 100 ms. prikker og heltrukne linjer betegne målingsverdiene og Lorentzian passer, henholdsvis. Insets viser tilsvarende histogrammer Brillouin Skift estimater av vev phantom. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Systemet, vist i figur 1, ble designet som skal bygges på en 18'' x 24-tommers brødfjel som kan monteres vertikalt på en optisk tabell, tilrettelegge plassering av vannaktig prøver. Derfor er det viktig å sterkt stramme alle optisk og mekanisk elementer og sikre at pumpen og sonde bjelker kollineare og konsentriske ulike elementer før opplysende utvalg i off-aksen geometri.

Vanskeligheter i å observere den stimulert Brillouin få signal kan skyldes overdreven spredt pumpe refleksjoner masken svak Brillouin gevinst på vassen prøver (~ 10-6). Du løser disse mulige problemer ved kontroller først at kammeret er plassert på felles fokuspunktet sonde og pumpe fokus linser (L-3 og L4, henholdsvis). Deretter lukker litt iris (I) plassert foran lepidolitt cellen og/eller oversette litt folding speilet av pumpen strålen (M6) til videre eliminere påvisning av spredt pumpe refleksjoner. Merk at disse prosedyrene vil også redusere Brillouin signalet, men kan gi et bedre utgangspunkt for å oppdage stimulert Brillouin gevinst signalet i vann. Hvis signalet fortsatt ikke blir oppdaget, bruk metanol eller carbon disulfide, som har en betydelig sterkere Brillouin få enn vann8,10. Alternativt, for målinger av ikke-grumset prøver er det mulig å bruke tykkere glass kamre (ti ganger AC confocal parameteren L3l4) som reduserer påvisning av spredt pumpe refleksjoner.

I protokollen beskrev vi høyhastighets målinger av stimulert Brillouin gevinst spectra over 2 GHz. Utvide målene over en større båndbredde (for eksempel i prøver med flere Brillouin hyppigheten skifter med > 1 GHz), er det viktig å produsere en kalibreringskurven av sonden modulering gjeldende mot utvidet frekvens detuning utvalg av pumpen og sonde lasere. Attråverdig, bør denne kurven korrigeres for små nonlinearity av laser frekvens feie med modulering gjeldende. Ordninger for rask overvåking av pumpe-sonden frekvens detuning kan også integreres for å erstatte mikrobølgeovn frekvens telleren (FC) i spectrometer.

Den Brillouin frekvensen Skift og linewidth målt av oppsettet foreslått her kan konverteres til materielle kompliserte langsgående modulus på GHz-frekvenser for kjente kompakthet og brytningsindeks av prøven4. Som spontan Brillouin spektroskopi, kan andre elementer av materielle stivhet tensoren (f.eks, skjær modulus) bli undersøkt med SBS spektroskopi ved oppdage lys spredt på forskjellige engler og polarisering stater fra pumpen lys. Brillouin spekteret ville så viser lavere signal-til-støy-forhold (på grunn av mindre krysset effektiviteten av pumpen og sonde bjelkene i eksempel10,11,12) og mindre Brillouin frekvens Skift og linewidths (på grunn av redusert krysset vinkelen) enn de som er oppnådd i nesten backscattering geometrien. Derfor ville bruk av lengre måling ganger og lasere med smalere linewidths være nødvendig.

For målinger av Brillouin spectra i ikke-grumset prøver gir vår nåværende SBS spectrometer oppkjøpet ganger er sammenlignbare oppnås ved VIPA spektrometre4 og som er 100 ganger raskere enn de av eksisterende Continuous-Wave stimulert Brillouin spredning spektrometre (med lignende Brillouin Skift sensitivitet)9,10,11. For Brillouin-målinger i grumset media, våre instrument er kjøpedyktig skaffe Brillouin spektra av grumset prøver med 2,25 spredning hendelser i en tid så kort som 100 ms, som er 3 ganger raskere enn den som brukes av en VIPA spectrometer med en multipass Fabrys-Perot-baserte Rayleigh avvisning filter i grumset prøver med 0,13 - 1,33 spredning hendelser13. I motsetning til VIPA spektrometre, SBS spektrometre krever ikke spesialisert Rayleigh avvisning filtre, og gir iboende ypperlig kontrast, selv i grumset prøver med sterk elastisk spredning10,11.

Den gjeldende SBS spectrometer har ennå ikke nådd grensen på skudd-støy. Spectrometer støy er dominert av intensitet støy i ikke-grumset prøver og elektrisk støy i grumset media11. Som et resultat, signal-til-støy-forhold (og dermed anskaffet) av SBG er begrenset. For å overkomme denne begrensningen, kan en lav støy elektrisk forsterker før låsbare gjenkjenning brukes å redusere anskaffet til SBG spectra i spredning materialer uten å redusere den Brillouin Skift følsomhet11. I tillegg ville bruk av skudd-støy-begrenset laser kilder høyere avvisning av spredt pumpen lys i en ekte backscattering geometri optimalt øke signal-til-støy-forholdet mellom spektrometer, slik at kortere tid for opptak SBG spectra med høy Brillouin Skift følsomhet11.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne ikke avsløre.

Acknowledgments

IR er takknemlig til Azrieli Foundation for PhD fellowship award.

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

Engineering problemet 127 stimulert Brillouin spredning lineære spektroskopi materiale analyse fase-sensitive oppdagelsen damp celler spektrometre
Høyhastighets Continuous-wave stimulert Brillouin spredning Spectrometer for materielle analyse
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