Waiting
Login processing...

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

Engineering

High-Speed kontinuerte stimuleret Brillouin spredning spektrometer 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 opbygningen af en hurtig continuous-wave-stimuleret-Brillouin-spredning (CW-SBS) spektrometer. Spektrometeret beskæftiger single-frekvens diode-lasere og en atomic vapor notch-filter til at erhverve transmission spektre af grumset/ikke-uklare prøver med høje spektrale opløsning på hastigheder op til 100 hurtigere end eksisterende CW-SBS spektrometre. Denne forbedring gør det muligt for højhastighedstog Brillouin materielle analyse.

Abstract

De seneste år har oplevet en betydelig stigning i brugen af spontan Brillouin spektrometre til ikke-kontakt analyse af blødt materiale, såsom vandige opløsninger og biomaterialer, med hurtig erhvervelse gange. Her vi diskutere forsamlingen og drift af en Brillouin spektrometer, der bruger stimuleret Brillouin spredning (SBS) til at måle stimuleret Brillouin gevinst (SBG) spektre af vand og lipid emulsion-baseret væv-lignende prøver i transmissionsform med < 10 MHz spektrale opløsning og < 35 MHz Brillouin-Skift måling præcision på < 100 ms. spektrometeret består af to næsten Counter formerings kontinuerte (CW) smal-linewidth lasere på 780 nm hvis frekvens stemning er scannet gennem den materielle Brillouin Skift. Ved hjælp af en ultra-smalbånd hot rubidium-85 vapor notch filter og en fase-følsomme detektor, signal-til-støj-forholdet mellem SBG signal er væsentligt forbedret i forhold til der opnås med eksisterende CW-SBS spektrometre. Denne forbedring muliggør måling af SBG spektre med op til 100-fold hurtigere erhvervelse gange, dermed at lette høj spektrale opløsning og høj præcision Brillouin analyse af bløde materialer med høj hastighed.

Introduction

Spontan Brillouin spektroskopi er blevet etableret, i de seneste år, som en værdifuld tilgang til mekanisk analyse af bløde materialer, såsom væsker, virkelige væv, væv phantoms og biologiske celler,1,2, 3,4,5,6,7. I denne tilgang, en enkelt laser lyser prøven og lys, der er uelastisk spredt fra spontane termisk akustiske bølger i medium er indsamlet af et spektrometer, giver nyttige oplysninger om de viskoelastiske egenskaber af prøven. Spontan Brillouin spektret omfatter to Brillouin toppe på akustiske Stokes og anti-Stokes resonanser af materialet, og en Rayleigh peak på den lysende laser frekvens (på grund af gravitoner spredt lys). For en Brillouin backscattering geometri, Brillouin frekvenser er flyttet af adskillige GHz fra den lysende laser frekvens og har spektrale bredde af hundredvis af MHz.

Mens scanning Fabry-Perot spektrometre har været systemer af valg for at erhverve spontan Brillouin spektre i blød sag1,2, afbildet de seneste teknologiske fremskridt i næsten fase array (VIPA) spektrometre har aktiveret betydeligt hurtigere (lynhurtige) Brillouin målinger med passende spektrale opløsning (sub-GHz)3,4,5,6,7. I denne protokol præsenterer vi opbygningen af en anden, høj hastighed, høj spektrale opløsning, nøjagtig Brillouin spektrometer baseret på påvisning af continuous-wave-stimuleret-Brillouin-spredning (CW-SBS) lys fra ikke-grumset og uklar prøver i en næsten tilbage spredning geometri.

I CW-SBS spektroskopi, kontinuerte (CW) pumpe og sonde lasere, lidt forstemt i frekvens, overlapper hinanden i en prøve at stimulere akustiske bølger. Når frekvensen forskellen mellem pumpen og sonde bjælker svarer en bestemt akustiske resonans af materialet, leveres forstærkning eller deamplification af sonde signalet af stimuleret Brillouin tab eller gevinst (SBG/SBL) processer, henholdsvis; ellers forekommer ingen SBS (de) forstærkning8,9,10,11. Således, en SBG (SBL) spektrum kan erhverves ved scanning frekvensen forskellen mellem lasere på tværs af de materielle Brillouin resonanser og afsløre stigning (fald), eller vinde (tab), i sonden intensitet på grund af SBS. I modsætning til i spontan Brillouin spredning, elastisk spredning baggrund er i sagens natur fraværende i SBS, muliggør fremragende Brillouin kontrast i både grumset og ikke-uklare prøver uden behov for Rayleigh afvisning filtre som krævet i VIPA spektrometre10,11,13.

De vigtigste byggesten i en CW-SBS spektrometer er de pumpe og sonde lasere og stimuleret Brillouin Kontraktgevinst /-tab detektor. For høj spektrale opløsning, høj hastighed CW-SBS spektroskopi, lasere skal være single-frekvens (< 10 MHz linewidth) med tilstrækkelig lang bølgelængde tunability (20-30 GHz) og scanningsopløsning (> 200 GHz/s), frekvens langtidsstabilitet (< 50 MHz/h) og lav intensitet støj. Derudover lineært polariseret og diffraktion-begrænset laser bjaelker beføjelser til få hundrede (tens) af mW på prøven kræves til pumpen (sonde) stråle. Endelig, stimuleret Brillouin Kontraktgevinst /-tab detektoren bør udformes til pålideligt registrere svage bagud stimuleret Brillouin vinding (SBG/SBL) niveauer (10-5 - 10-6) i blød sag. For at imødekomme disse behov, vi valgt distribuerede feedback (DFB) diode lasere koblet til opretholdelse af polarisering fibre sammen med en stimuleret Brillouin Kontraktgevinst /-tab detektor kombinerer en ultra-smalbånd atomic dampe notch-filter og en højfrekvens Single-graduering lock-in forstærker som illustreret i figur 1. Denne opdagelse ordning fordobler intensiteten af SBG-signal samtidig reducere støj i sonden intensitet, hvor den ønskede SBG signal er integrerede11. Bemærk, at rollen som atomare vapor notch-filter bruges i vores SBS spektrometer er at reducere påvisning af uønskede omstrejfende pumpe overvejelser snarere end at mindske elastisk spredning baggrund som VIPA spektrometre, der registrerer både spontan Rayleigh og Brillouin spredt lys. Ved hjælp af protokollen, der er beskrevet nedenfor, en CW-SBS spektrometer kan konstrueres med mulighed for at erhverve transmission spektre af vand og væv phantoms med SBG niveauer så lavt som 10-6 på < 35 MHz Brillouin-Skift måling præcision og inden for 100 ms eller mindre.

Figure 1
Figur 1: kontinuerte stimuleret Brillouin spredning (CW-SBS) spektrometer. To kontinuerte pumpe og sonde diode lasere (DL), frekvens forstemt omkring Brillouin skift af stikprøven er koblet ind i vedligeholdelse af polarisering single-mode fibre med kollimatorer C1 og C2, henholdsvis. Pumpe-sonde frekvens forskel er målt ved at opdage den beat frekvens mellem bjælker skrællet fra pumpen og sonde lasere ved hjælp af et sæt af fiber splittere (FS), en hurtig fotodetektor (FPD) og en frekvenstæller (FC). S-polariseret sonde beam (lyserød), udvidet ved hjælp af en keplerske stråle expander (L1 og L2), er ret cirkulært polariseret ved en kvart-bølge plade (λ1/4) og fokuseret på prøve (S) af en achromatic linse (L3). For effektiv SBS interaktion og optisk isoleret, pumpe strålen (dyb rød), udvidet bruger en keplerske stråle expander (L5 og L6), er første P-polariseret ved hjælp af en halvt-bølge plade λ2/4), derefter overføres gennem en polariserende Beam splitter (PBS), endelig forlod cirkulært polariseret ved en kvart-bølge plade (λ2/4) og er fokuseret på prøve med et achromatic linse (L4, samme som L3). Bemærk at de pumpe og sonde bjælker næsten Counter udbrede i prøven og at en S-orienterede polarisator (P) blev brugt til at forhindre, at P-polariseret pumpe bjælken (kommer ud af λ1/4) ind i sonden laser. Til lock-in påvisning moduleres pumpe stråle sinusoidally på fm med en akustisk-optisk modulator (AOM). SBG signal, manifesterede sig som intensitet variationer på frekvensen fm (Se inset), er demodulerede meden lock-in forstærker (LIA) efter påvisning af et stort område fotodiode (PD). For betydelige eliminering af vagabonderende pumpe refleksioner i fotodiode bruges en smalbånd Bragg filter (BF) og en atomic notch filter (85RB) omkring pumpen bølgelængde sammen med en lys-blokerende iris, (I). Data er registreret af en erhvervelse datakort (DAQ) forbundet til en personlig computer (PC) for yderligere analyse af Brillouin spektrum. Alle folde spejle (M1- M6) bruges til at passe spektrometeret på en 18'' × 24'' breadboard, der er vertikalt monteret på den optiske tabel for at lette placering af våde prøver. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Bemærk: medmindre andet er angivet, (i) Tilslut alle mounts til at bogføre indehavere og stramme indlæg baser med en fastspænding gaffel eller montering base til tabellen optisk, og (ii) Brug output laser beføjelser på 2-10 mW for alle justering procedurer.

Bemærk: slå alle elektriske/optoelektroniske enheder i opsætningen og tillade 30 min warmup tid forud for bruger.

1. forberede Optical Probe strålegang

  1. montere og justere fiber kollimator af sonden laser.
    1. Connect input fiber for et 33:67 FC/APC polarisering-opretholde fiber splitter (port T af FS 1) til fiber kobling af sonden laser. Tilsluttes fiber kollimator (C 1) 67%-output fiber for fiber splitter (port 1 FS 1). Tillægge en 6-akser kinematiske mount (Ø x Ø y, Ø z, x, y, z) fiber kollimator. Placere en power meter bag fiber kollimator og maksimere magt fra laser ved at justere x, y og z skruer af laser fiber coupler.
    2. Roterer fiber kollimator (eller den optiske element skal justeres) for at justere laser polarisering i S-polarisering retning, som her er vinkelret optisk tabel. Bekræfte, at laserstrålen er S-polariseret ved at måle minimum (maksimale) laser transmission (refleksion) gennem en hjælpeansatte polariserende stråledeler med en energimåler.
    3. Montere to ekstra justering iris på en identisk højde fra tabellen optisk (3 ' ' i denne opsætning). Beam formeringsmateriale langs den optiske akse af det system og er parallelle til tabellen optisk opretholdes denne højde til konstant under justeringen af hele systemet. Placer en iris i en tabel monteringshul bag fiber kollimator (eller den optiske element skal justeres) på < 50 mm afstand. Placer den anden iris i et kolineære tabel monteringshul tilstrækkeligt langt fra de første iris (> 300 mm).
    4. Juster output strålen fiber kollimator (eller den optiske element skal justeres) langs den optiske akse af systemet ved at justere x, y, Ø x og Ø y skruer af den kinematiske mount indtil laserstrålen er koncentrisk til den centrum af begge iris.
  2. Oprettet en keplerske stråle expander.
    1. Montere en linse (L 1, f 1 = 25 mm) i en fast optisk mount.
    2. Montere to ekstra justering iris ved at følge fremgangsmåden i 1.1.3. Justere fint sideleje og pitch vinkel af linsen, således at den overførte stråle er koncentrisk til midten af begge iris.
    3. Montere en anden linse (L 2, f 2 = 50 mm) i en fast optisk mount. Vedhæfte mount post base til en lineær translationel fase justeret med den optiske akse af systemet. Placer scenen, sådan at linsen er i en afstand af f 1 + f 2 fra den første linse. Juster linsen som beskrevet i punkt 1.2.2.
    4. Sted en klipning interferometer bag den anden linse til at bekræfte, at bjælken er kollimeret. Oversætte den anden linse langs den optiske akse af systemet, indtil de indblanding frynser produceret er parallel med referencelinjen regerede på diffuser plade af den klipning interferometer.
  3. Fold output strålen af stråle expander.
    1. Montere et spejl (M 1) i en kinematisk mount med pitch (Ø x) og Bjarne (Ø y) justeringer. Orientere spejl for at være 45 o med hensyn til den optiske akse langs elementer C 1 - L 1 - L 2.
    2. Montere to ekstra justering iris ved at følge fremgangsmåden i 1.1.3. Justere Ø x og Ø y skruer af spejl mount indtil den reflekterede lysstråle er koncentrisk til midten af begge iris, der definerer den optiske akse af systemet.
  4. Oprettet prøve belysning optik.
    1. Mount en nul-ordre kvart-bølge plade (λ 1 / 4) i en 6-akser kinematiske mount (Ø x Ø y, Ø z, x, y, z) i en afstand af ca. 150 mm fra folde spejl (M 1), forlader tilstrækkelig plads til at placere en polarisator (P) før waveplate, som beskrevet i 2.7. Rotere waveplate af 45 o med hensyn til dens hurtige akse til at give en cirkulær polarisering tilstand.
    2. Montere en fokusering linse (L 3, f 3 = 30 mm) i den samme kinematisk mount af waveplate. Juster stråle sendes gennem linsen af proceduren i 1.1.3-4.
  5. Konfigurere samling optikken i eksemplet.
    1. Mount en 6-akser kinematiske mount (Ø x Ø y, Ø z, x, y, z) på en differentieret lineær translationel fase i en afstand af ca 60 mm fra den fokusering linse (L 3). Montere en nul-ordre kvart-bølge plade (λ 2 / 4) i den kinematiske mount. Rotere waveplate af 45 o med hensyn til dens hurtige akse og bekræfte, at laserstrålen er S-polariseret ved at følge fremgangsmåden i punkt 1.1.2.
    2. Montere en samling linse (L 4, f 4 = 30 mm) i den samme kinematisk mount af waveplate. Juster stråle sendes gennem linsen af proceduren i 1.1.3-4. Bekræfte, at bjælken er kollimeret som beskrevet i 1.2.4.
    3. Montere en polariserende stråledeler cube (PBS) på en kinematisk mount med pitch (Ø x) og krøje (Ø y) justeringer og Placer den bag waveplate (som vist i figur 1). Montere to ekstra justering iris ved at følge fremgangsmåden i 1.1.3. Justere Ø x og Ø y skruer af beam-splitter mount indtil den reflekterede lysstråle er koncentrisk til midten af begge iris, der definerer den optiske akse af systemet.

2. Forberede optisk pumpe strålegang

  1. montere og justere fiber kollimator pumpe laser.
    1. Connect fiber forstærket porten af pumpen laser til fiber kollimator (C 2). Montere og justere fiber kollimator pumpe laser som beskrevet i 1.1.3 - 4.
  2. Tune pumpe bølgelængde til rubiduim-85 D2 F g = 3 absorption linje.
    1. Placere en rubidium-85 vapor celle bag fiber kollimator pumpe laser (C 2).
    2. Placere en hjælpeansatte fotodetektor bag vapor cellen til at måle fremsendelse af pumpe stråle gennem cellen. Tilslut fotodetektor til et oscilloskop. Tryk på den ' Autoset ' knappen på oscilloskopet til automatisk at indstille amplitude og tid sporingen af udlæsning signal fra photodetector.
    3. bølgelængden groft laser rubidium D2 absorption linje, 780.24 nm, ved at dreje temperatur knop på laser-controller til et niveau, hvor minimum lystransmission måles gennem rubidium celle af hjælpeansatte fotodetektor ( Se trin 2.2.2). Indstil laser temperaturen til det konstaterede niveau.
    4. Tilsluttes den aktuelle graduering input af laser Pumpestyring output af en funktionsgenerator.
    5. Anvender en trekant bølge fra en funktionsgenerator til den aktuelle graduering input af laser controller langsomt scanne laser bølgelængde på tværs af 60 pm (30 GHz). Med henblik herpå, tryk på den ' kanal vælge ' knappen på funktionsgenerator og vælge kanal 1. Tryk derefter på den ' rampe ' knappen og derefter den ' fortløbende ' knap til at angive kanalen til at producere en trekant bølgeform. Tryk på den ' Amplitude ' genvej knappen til at indstille bølgeform amplitude til 2,25 Vpp (top til top spænding) og den ' frekvens/periode ' genvej knappen til at indstille bølgeform hyppigheden til 5 mHz. Endelig, tryk på den ' på '-knappen for at tænde kanalen for funktionsgenerator.
    6. Identificere så præcist som muligt det aktuelle niveau, der bringer den pumpe bølgelængde til rubidium-85 D2 F g = 3 absorption linje ved at måle minimum lystransmission gennem rubidium celle ved hjælp af de hjælpeansatte fotodetektor (jf. trin 2.2.2). Indstille laser aktuelle til de identificerede niveau ved at dreje den nuværende knop på laser-controller. Fjerne cellen rubidium og de hjælpeansatte fotodetektor. Endelig afbryde funktionsgenerator fra den nuværende graduering input af laser controller.
  3. Montere og justere filteret laser-line oprydning.
    1. Sted laser-line oprydning filter (en reflekterende Bragg filter; BF) i en kinematisk mount med pitch (Ø x) og Bjarne (Ø y) justeringer på en afstand af 250 mm fra fiber kollimator (C 2).
    2. Sted en power meter i transmission (refleksion) optisk bane i filteret og minimere (Maksimer) stråle power ved roterende filter i pitch akse til at matche Bragg input vinkel (8 o i denne opsætning). Justere fint Ø x og Ø y skruer af den kinematiske mount til at optimere tilpasningen.
    3. Fold strålen reflekteres fra filteret tilbage til en retning parallelt med at stråle på filteret input ved hjælp af to spejle (M 2, M 3) monteret på kinematiske mounts med pitch og krøje justeringer.
    4. Montere to ekstra justering iris ved at følge fremgangsmåden i 1.1.3. Justere Ø x og Ø y skruer af begge spejl mounts indtil bjælken reflekteres fra det andet spejl er koncentrisk til midten af begge iris, der definerer den optiske akse af systemet.
  4. Montere og justere den akustisk-optisk modulator.
    1. Mount og justere en linse (L 5, f 5 = 100 mm) at fokusere pumpe stråle i en akustisk-optisk modulator (AOM) som beskrevet i punkt 1.2.2. Efter linsen underholdsbidrag, Fjern forsigtigt linse L 5 fra sin mount før placere AOM for at undgå at beskadige AOM.
    2. Montere AOM på 5 akser platform (Ø x Ø y, x, y, z) i en afstand af ca. 100 mm fra den fokusering linse (L 5). Sikre, at pumpen beam formerings gennem vinduet indgangen af modulatoren er S-polariseret (jf. 2.1.2) at optimere modulator ydeevne.
    3. Tilslut RF udgang modulator driver til modulatoren ved hjælp af en 50-Ω koaksialkabler RF-indgang. Tænd for driver og presse den ' tilstand ' knappen på driveren så at den akustisk-optisk modulator opererer i kontinuerte tilstand.
    4. Placere en power meter bag modulator output til at måle styrken af første-ordens diffracted beam kun. Justere Bragg vinklen på modulator til at maksimere kraften i den første-ordens diffracted stråle af roterende modulator i pitch akse (Ø x).
    5. Flyt finelythe fokusering linse (L 5) i sin mount at fokusere pumpe stråle til modulatoren og opnå den ønskede hurtige stigning/fald tid (10 ns for ~ 50 µm lysbundtets diameter fokus i denne opsætning). Justere x, y, z, Ø x og Ø y skruer af montering platform for modulator til at maksimere kraften af første-ordens diffracted beam.
    6. Fold strålen på modulator output til en retning parallelt med at stråle af modulator indgang ved hjælp af to spejle (M 4, M 5) monteret på kinematiske mounts pitch (Ø x) og krøje (Ø y) tilpasninger som beskrevet i 2.3.3-4.
    7. Montere og justere en anden linse (L 6, f 6 = 200 mm) i en afstand af f 5 + f 6 fra fokus linse på modulator input til collimate moduleret pumpe stråle som beskrevet i 1.2.3-4. Denne linse sammen med fokusering linse på modulator input form en keplerske stråle expander til pumpe stråle, matchende pumpen og sonde lysbundtets diameter før fokuserer på prøve (S).
  5. Oprettet pumpe P-polarisering optik. Montere en nul-ordre halvt-bølge plade (λ/2) i en rotation mount. Placer waveplate bag den anden linse af keplerske stråle expander pumpe lysstråle (L 6). Rotere waveplate for at justere stråle til den retning, P-polarisering, som her er parallelt med optisk tabel. Bekræfte, at laserstrålen er P-polariseret ved at måle maksimale (minimum) laser transmission (refleksion) gennem en hjælpeansatte polariserende stråledeler med en energimåler.
  6. Fold og lateralt Skift stråle på outputtet af waveplate.
    1. Montere et spejl (M 6) i en kinematisk mount med pitch (Ø x) og Bjarne (Ø y) justeringer på en afstand af 50 mm fra halv-bølge plade (λ/2). Vedhæfte post base af den kinematiske mount til en lineær translationel fase justeret med den optiske akse af systemet. Orientere spejl for at være 45 o med hensyn til den optiske akse langs elementer λ/2-PBS.
    2. Juster strålen reflekteres fra spejlet og den polariserende beam splitter som beskrevet i 1.3.1-2. Bekræfte, at pumpen stråle sendes gennem den polariserende stråledeler kolineære med sonden beam optiske sti ved hjælp af en laser, der har set på card.
    3. Oversætte spejlet af 3 mm i retningen vinkelret paa den optiske akse af pumpe-sonde fokus objektiver (L 4-L 3) til at producere off-axis pumpe belysning af prøven (S), der minimerer omstrejfende pumpe refleksioner.
  7. Oprettet pumpen blokering optikken i sonden optisk transmissionslængde. Montere en lineær polarisator (P) i en rotation mount. Placer polarisator mellem folde spejlet (M 1) og den første waveplate (λ 1 / 4) i en sonde optisk transmissionslængde, ca 75 mm fra hver af disse komponenter. Drej polarisator at minimere (Maksimer) transmission af pumpen (sonde) bom.

3. Forberede ordningen til påvisning af frekvens stemning af pumpe og sonde lasere

  1. oprettet fiberoptik til sonde og pumpe lasere.
    1. Tilslut et 50/50 FC/APC input fiber opretholdelse af polarisering fiber splitter (port 1 FS 2) til fiber kobling af de ikke-forstærket port af pumpe laser. Tilslut 33%-output fiber af sonden fiber splitter (port 2 af FS 1) til 50%-input fiber af pumpe fiber splitter (FS 2 port 2) ved hjælp af en parring ærme.
    2. Måler den optiske effekt ved output fiber af 50/50 pumpe fiber splitter (port T af FS 2) med en effektmåler og sikre, at den samlede optiske effekt er < 10 mW at forhindre mætning af fiber-kombineret fotodetektor (FPD). Tilsluttes input af en high-speed fiber-kombineret fotodetektor output fiber af 50/50 pumpe fiber splitter (port T af FS 2).
  2. Forbinde K han stik i den hurtige fotodetektor direkte til K kvindelige stik GHz-båndet i en mikrobølgeovn frequency counter (FC).

4. Sat op the stimuleret Brillouin Kontraktgevinst /-tab detektor

  1. forberede cellen rubidium-85 vapor.
    1. Wrap hele cellen med en termisk ledende pad. Vikle en varme tape rundt i kanten af cellen. Placere et termoelement midt i cellen for at overvåge den varme temperatur. Sikre at termoelement ikke røre det varme bånd. Tilsluttes et termometer til at læse ud prøverummets temperatur termoelement.
    2. Wrap hele cellen med en Teflon tape til at holde varmen tape og termoelement på deres pladser og termisk isolere celle fra miljøet. Forlade i slutningen af det varme bånd uhindret på begge kanter. Ledning de to fører af det varme bånd til en 0-30 V, 5 A DC strømforsyning.
    3. Montere celle i refleksion optisk bane i den polariserende stråledeler (PBS). Sikre at sonden beam rammer i midten af cellen.
    4. Montere en iris (I) før cellen. Åbn iris, så sonden strålen kan helt igennem. Denne iris hjælper med at minimere omstrejfende pumpe refleksioner.
  2. Oprettet fotodetektor.
    1. Sted fotodetektor (PD) bag rubidium celle. Fotodetektor, har til huse i en aluminium kasse, består af et stort område fotodiode og en hjemmelavet RC low-pass filter (R = 1 kΩ, C = 0,1 µF) der reducerer støj i reverse bias spænding. Sikre at sonden beam hits midten af fotodiode ved hjælp af en laser, der har set på card.
    2. Tilsluttes 0-30 V, 5 A DC strømforsyning ved hjælp af en 50 Ω koaksialkabler fotodiode katoden terminal. Anvende en reverse bias 25 V, ved at dreje spændingen knop på strømforsyningen, således at fotodiode drives i photoconductive tilstand til højfrekvens påvisning.
  3. Opsætning af lock-in forstærker.
    1. Connect fotodetektor til en 50Ω koaksial low-pass filter (LPF) 1.9 MHz båndbredde ved hjælp af en 50 Ω koaksialkabler. Tilslut det koaksiale LPF udgang direkte til signal-input af lock-in-forstærker (LIA). Tryk på den ' signa-Z i ' knappen på lock-in forstærker at indstille signalet Indgangsimpedans af lock-in forstærker til 50Ω.
    2. Connect channel 1 af en funktionsgenerator til henvisningen input af lock-in forstærker ved hjælp af en 50 Ω koaksialkabler. Tryk på den ' kanal vælge ' knappen på funktionsgenerator og vælge kanal 1. Tryk derefter på den ' sinus ' knappen og derefter den ' fortløbende ' knap til at angive kanalen til at producere en sinusformet bølgeform. Tryk på den ' Amplitude ' genvej knappen til at indstille bølgeform amplitude til 0,7 Vpp og ' frekvens/periode ' genvej knappen til at indstille bølgeform frekvens til f m = 1.1 MHz.
    3. Connect channel 2 af funktionsgenerator til eksterne analog input af akustisk-optisk modulator føreren en 50 Ω koaksialkabler. Følg proceduren i 4.3.2 at indstille en 1 Vpp, f m = 1.1 MHz sinusformet bølgeform på kanal 2.
    4. Tryk på den ' på ' knappen på funktionsgenerator at slå på kanal 1 og 2 og låse deres fase forhold ved at skubbe den ' Juster fase ' bezel knap på funktionsgenerator.
    5. Skifte den ' tilstand ' knappen på akustisk-optisk modulator driveren til ' Normal ' stat. Pumpe strålen er nu optisk moduleret på f m = 1.1 MHz.

5. De sidste forberedelser af systemet og optimering

  1. oprettet dataopsamling unit.
    1. Tilslut den analoge udgang for tælleren mikrobølgeovn frekvens (FC) til én analog input af data erhvervelse enhed (DAQ) ved hjælp af et koaxialkabel. Tryk på den ' DAC ', ' 1 ' og ' 0 ' knapper på frekvenstæller at indstille frekvensen udlæsning nøjagtighed til 10 MHz. Denne kanal overvåger pumpe-sonde frekvens stemning.
    2. Tilslut den ' X ' output af lock-in forstærkeren (LIA) til den anden analoge input data erhvervelse enhed ved hjælp af en koaksialkabel. Tryk på den ' Output ' knap af den ' X ' kanal på forstærkeren lock-in til at aktivere kanalen. Bruge denne kanal skærme stimuleret Brillouin gevinst (SBG) signal niveau.
    3. Delt en outputkanalen af en funktionsgenerator i to separate kanaler ved hjælp af et BNC-tee stik. Tilslut én kanal til den nuværende graduering input af sonden laser controller og den anden kanal til den tredje analog input af data erhvervelse enhed ved hjælp af koaksiale kabler. Brug denne anden kanal til at erhverve den nuværende graduering signal af sonden laser.
    4. Tilslut USB udgang data erhvervelse enhed til en computer. Skrive et program i en datapakke erhvervelse software til at visualisere og registrere de ovenfor beskrevne signaler fra data erhvervelse enhed 14.
  2. Montere en vandprøve i måling afdeling.
    1. Fyld et hjem-bygget 500 µm tykt glas kammer med destilleret vand. Salen er omfattede to runde 25 mm diameter 0,17 mm tykt glas coverslips fordelt med en 500 µm tykt Teflon tape.
    2. Montere et kammer indehaveren på en 3-akse motoriseret oversættelse scene. Placere måling kammer i indehaveren og oversætte det til fælles fokuspunkt af sonden og pumpe fokus objektiver (L 3 og L 4, henholdsvis) ved hjælp af motoriseret scenen.
  3. Varme cellen rubidium.
    1. Slid laser sikkerhedsbriller til 780 nm laser brug. Øge pumpe laser magt til at opnå > 250 mW på prøven ved at dreje den nuværende knop på den koniske forstærker controller og måling af effekten lige før prøven med en energimåler.
    2. Sæt tidsvejning af lock-in forstærkeren (LIA) til 1 s ved at trykke på den ' nøjes med op/ned ' knapper på lock-in forstærker. Indstille lavpasfilter af lock-in forstærker til 24 dB/okt ved at skubbe den ' Filter hældning op/ned ' knapper. Indstille lock-in forstærker følsomheden til 1 mVrms ved at trykke på den ' Sens op/ned ' knapper. Brug funktionen Juster fase af lock-in forstærker til at justere faseskift mellem reference og signal-indgangene på forstærkeren til nul ved at skubbe den ' Skift ' og ' fase ' knapper.
    3. Overvåge omstrejfende pumpe refleksioner ved at observere udlæsninger på den ' X ' kanal af lock-in forstærkeren.
    4. Tune pumpe bølgelængde med en rubiduim-85 D 2 F g = 3 absorption linje ved forsigtigt at dreje den nuværende knop på laser-controlleren til at opnå et minimum omstrejfende pumpe refleksion udlæsning på den ' X ' kanal af lock-in forstærkeren.
    5. Sæt 17 V DC på magten levering tilsluttet varme tape til at varme op cellen rubidium at 90 o C. Vent et par minutter indtil termometer udlæsning stabiliserer på den ønskede temperatur. Bemærk: Signal udlæsninger observeret på den ' X ' kanal af lock-in forstærker bør hurtigt falde under opvarmning (på grund af den betydelige stigning i absorberingen af cellen).
  4. Foranstaltning og optimere SBG signal i vand.
    1. Øge sonde laser magt til at opnå > 10 mW på prøven ved at dreje den nuværende knop på laser-controller og måling af effekten lige før prøven med en energimåler.
    2. Groft tune sonde bølgelængde til rubiduim-85 D2 F g = 3 absorption linje ved at dreje temperatur knop på sonden laser controller og måle et minimum laser strømniveau bag rubidium celle med en energimåler.
    3. fint tune sonde bølgelængde for at være længere end den pumpe bølgelængde ved at dreje den nuværende knop på sonden laser controller indtil > 10 mW, omtrent konstant, laser power niveauer måles bag rubidium celle med en energimåler. Bemærk: Hvis sonden bølgelængde er kortere end for pumpen laser, derefter yderligere absorption bands af cellen rubidium-85 betydeligt reducere sonde styrken på celle output.
    4. Indstil frekvens stemning mellem pumpen og sonde lasere til at matche Brillouin Skift vand (~ 5 GHz) ved at dreje den nuværende knop på sonden laser controller og observere frekvensen stemning udlæsninger på frekvenstæller (FC). Bemærk: For den negative (positive) første-ordens diffracted bom, disse udlæsninger skal være større (mindre) end Brillouin skift af RF-kørsel hyppigheden af den acousto-optisk modulator (210 MHz i denne opsætning).
    5. Indstillet lock-in forstærker følsomhed til 100 µVrms og justere faseskift mellem reference og signal-indgangene på forstærkeren til nul ved at følge fremgangsmåden i 5.3.3.
    6. Optimere passage effektiviteten af pumpen og sonde bjælker ved (i) fint justering af Ø x og Ø y skruer af den kinematiske mount af folde spejl af pumpe BOM (M 6), og (ii) lidt oversætte pumpen fokusering linse (L 4) langs den optiske akse systemets.
    7. At sikre, at højere signal udlæsninger på den ' X ' kanal af lock-in forstærker resultere overvejende fra en øget SBG signal (ikke fra omstrejfende pumpe refleksioner) ved at blokere sonde stråle og måle uændret niveauer af omstrejfende pumpe overvejelser om den ' X ' kanal af lock-in forstærkeren.
    8. Gentag trin 5.4.6-7 indtil SBG signal når et maksimum (> 2 µVrms), samtidig med at omstrejfende pumpe refleksioner på et uændret minimumsniveau.

6. Måle og analysere en SBG spektrum

  1. oprette en kalibreringskurve sonde graduering nuværende vs pumpe-sonde frekvens stemning.
    1. Sæt frekvens stemning mellem pumpen og sonde lasere til 5 GHz (omkring Brillouin Skift vand) ved at dreje den nuværende knop på sonden laser controller.
    2. Tryk på den ' RES ' og ' 5 ' knapper på mikroovn frekvenstæller (FC) at indstille porten til 1 ms, giver en prøveudtagning interval 100 MS mellem på hinanden følgende hyppighed stemning målinger. Anvende en trekant bølge til den aktuelle graduering input af sonden laser controller ved at følge fremgangsmåden i 2.2.5 med bølgeform amplitude og frekvens parametre af 150 mVpp og 50 mHz, henholdsvis. Dette vil give mulighed for at langsomt scanne sonde bølgelængde (og dermed pumpe-sonde frekvens stemning) over 2 GHz.
    3. Indstil samplingshastigheden data erhvervelse enhed (DAQ) til 100 prøver/s/kanal og optage pumpe-sonde frekvens stemning og sonde laser graduering nuværende signaler fra data erhvervelse enhed for 20 s (over 4-6 GHz) ved hjælp af hjem-skrevet data erhvervelse program.
    4. Indlæses måledata i en beregningsmæssige softwareprogram. Passe til pumpe-sonde frekvens detuning data med en lineær model. Bemærk, at det også er muligt at bruge et polynomium anfald af højere orden (på grund af nonlinearity af pumpe-sonde frekvens stemning målinger). Passer også sonde laser graduering aktuelle data med en lineær model.
    5. Generere kalibreringskurven ved lagring i et beregningsmæssige softwareprogram pumpe-sonde frekvens stemning fit prøver som en funktion af sonden graduering nuværende passer prøver.
  2. Måle en SBG spektrum ved høj hastighed.
    1. Montere den prøve under test (S), for eksempel, destilleret vand, som anvendes i forsøgene, som beskrevet i 5.2.1 - 2. Gentag trin 5.4.1 - 8.
    2. Angive lock-in forstærker (LIA) tid konstant ≥ 100 µs ved at trykke på den ' nøjes med op/ned ' knapper på lock-in forstærker. Anvende en trekant bølge til den aktuelle graduering input af sonden laser controller ved at følge fremgangsmåden i 2.2.5 med bølgeform amplitude og frekvens parametre af 150 mVpp og 50 Hz, henholdsvis. Dette vil gøre det muligt hurtigt scanne sonde bølgelængde (og dermed pumpe-sonde frekvens stemning) over 2 GHz.
    3. Indstil samplingshastigheden data erhvervelse enhed (DAQ) ≤ 100.000 s-prøver-kanal og optage SBG og sonden laser graduering nuværende signaler fra data erhvervelse enhed for ≥ 10 ms (over 4-6 GHz) ved hjælp af hjem-skrevet data erhvervelse program.
  3. Visualiser og analysere SBG spektrum.
    1. Belastning måledata indspillet i 6.2.6 i en beregningsmæssige softwareprogram.
    2. Konvertere de målte sonde laser graduering aktuelle værdier til pumpe-sonde frekvens stemning værdier ved at identificere disse værdier i kalibreringskurven gemt i 6.1.5.
    3. Trække gennemsnitlige støj gulvet fra spektret og visualisere SBG spektrum af plotte SBG målinger mod pumpe-sonde frekvens stemning værdier.
    4. Passer spektrum med en Lorentzian kurve. For indledende gæt af Lorentzian parametre, bruger amplitude, frekvens position og fuld bredde på halvdelen af det højeste punkt af spektret.
    5. Beregne Brillouin Skift og linewidth for den analyserede prøve ved at hente frekvens holdning af den maksimale og fuld bredde på halv-maksimum Lorentzian fit, hhv.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Tal 2b og 3b vise typiske punkt SBG spektre af destilleret vand og lipid-emulsion væv phantom prøver (med 2,25 spredning begivenheder og en dæmpning koefficient på 45 cm-1) målt i 10 ms og 100 ms, henholdsvis. Til sammenligning, vi målte SBG spektre i 10 s som vist i tal 2a og 3a. I disse målinger, rubidium-85 vapor celle var opvarmes til 90 ° C i formildende omstrejfende pumpe refleksioner af ~ 104 og sender > 95% af sonden lys; niveauer, der blev opretholdt stabil for over en h11. Også, den rumlige opløsning, defineres her som den laterale fuld bredde på halv-maksimum af SBS intensitet opdaget fra fokus, blev anslået til ca. 8 µm10. Middelværdien Brillouin skifter fra de hurtigt erhvervede spektre i vand og væv phantoms var 5,08 GHz og 5,11 GHz, henholdsvis. Disse Brillouin Skift skøn kan sammenlignes med dem, beregnet på grundlag af spektre registreres i 10 s og til tidligere offentliggjorte Brillouin data af vandige prøver9,10,11. Mellemværker i tallene viser histogrammer af Brillouin Skift skøn hentet fra 200 successive målinger af SBG spektre. Præcisionen af den opnåede Brillouin Skift blev evalueret i form af standardafvigelse af en Gaussisk distribution passer til den observerede Brillouin Skift distribution. Standardafvigelser 8,5 MHz og 33 MHz blev opnået i de vand og væv phantom prøver, der repræsenterer en høj måling præcision til påvisning af subtile ændringer i materielle mekanik. Selvom niveauet pumpe magt bruges her var høj (~ 250-270 mW), opvarmning på grund af absorption af vand på 780 nm blev anslået til at være < 0,53 K, og dermed kan overses i de vandige prøver, der indgår i dette arbejde10. Derudover ingen kortsigtede ustabilitet af SBG spektre af vand og lipid-emulsion prøverne blev observeret under 120 s kontinuerlig eksponering af prøverne for disse magt niveauer.

Figure 2
Figur 2: stimuleret Brillouin få (SBG) spektre af vand. Repræsentant SBG spektre af vand erhvervet i (en) 10 s og (b) 10 ms. prikker og streger står for målingsværdier og Lorentzian passer, henholdsvis. Mellemværker Vis tilsvarende histogrammer Brillouin Skift overslag over vand. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
Figur 3: stimuleret Brillouin få (SBG) spektre af væv Phantoms. Repræsentant SBG spektre af lipid-emulsion væv spøgelser (med 2,25 spredning begivenheder og en dæmpning koefficient på 45 cm-1) erhvervede i (en) 10 s og (b) 100 ms. prikker og streger betegne målingsværdier og Lorentzian passer, henholdsvis. Mellemværker Vis tilsvarende histogrammer af Brillouin Skift estimater af væv fantom. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

System, vist i figur 1, var designet til at være bygget på en 18'' x 24'' breadboard, der kan monteres lodret på en optisk tabel, at lette placering af våde prøver. Som et resultat, er det vigtigt at kraftigt spænde alle optiske og mekaniske elementer og sikre, at de pumpe og sonde bjælker kolineære og koncentrisk med de forskellige elementer inden lysende prøven i off-axis geometri.

Vanskeligheder med at overholde den stimuleret Brillouin få signal kan opstå på grund af overdreven omstrejfende pumpe refleksioner at maske svage Brillouin gevinst på våde prøver (~ 10-6). For at løse disse eventuelle vanskeligheder, sikre først at salen er placeret på fælles fokuspunkt af sonden og pumpe fokus objektiver (L3 og L4, henholdsvis). Derefter lukke lidt iris (I) placeret før cellen rubidium og/eller oversætte lidt folde spejlet af pumpe BOM (M6) til yderligere fjerne påvisning af omstrejfende pumpe refleksioner. Bemærk, at disse procedurer vil også mindske Brillouin signal, men kan give et bedre udgangspunkt for opsporer stimuleret Brillouin gevinst signalet i vand. Hvis signalet ikke er stadig fundet, brug methanol eller carbondisulfid, som har et betydeligt stærkere Brillouin få end vand8,10. Alternativt, for målingerne af ikke-uklare prøver, det er muligt at bruge tykkere glas kamre (ti gange Konfokal parameteren L3/l4), at reducerer afsløring af omstrejfende pumpe refleksioner.

I protokollen beskrev vi højhastigheds målinger af stimuleret Brillouin gevinst spectra over 2 GHz. At udvide målinger over en større båndbredde (f.eks. ved prøver med flere Brillouin frekvens Skift adskilt af > 1 GHz), er det vigtigt at frembringe en kalibreringskurve af sonden graduering aktuelle mod udvidet frekvens stemning vifte af pumpen og sonde lasere. Desirably, bør denne kurve korrigeres for den lille nonlinearity af laser frekvens feje med graduering aktuelle. Alternativt, ordninger for hurtig overvågning af pumpe-sonde frekvens stemning kan integreres for at erstatte mikrobølgeovn frekvenstæller (FC) i spektrometeret.

Brillouin frekvens Skift og linewidth målt ved opsætningen her foreslået kan konverteres til den materielle komplekse langsgående modulus på GHz frekvenserne for en kendt densitet og brydningsindeks af prøve4. Som spontane Brillouin spektroskopi, kunne andre elementer af den materielle stivhed tensor (fx, shear modulus) blive aftestede ved hjælp af SBS spektroskopi ved at afsløre lys spredt på forskellige engle og polarisering stater fra pumpen lys. Brillouin spektrum ville derefter udviser lavere signal-til-støj-forhold (på grund af den mindre passage effektiviteten af pumpen og sonde bjælker i eksempel10,11,12) og mindre Brillouin frekvens forskydninger og linjebredder (på grund af nedsat passage vinklen) end dem, der opnås i den næsten backscattering geometri. Derfor ville brugen af længere måling gange og lasere med smallere linjebredder være påkrævet.

For målinger af Brillouin spektre i ikke-uklare prøver giver vores nuværende SBS spektrometer erhvervelse gange, der er sammenlignelige med dem, der opnås ved VIPA spektrometre4 og der er 100-fold hurtigere end dem, der opnås af den eksisterende kontinuerte stimuleret Brillouin spredning spektrometre (med lignende Brillouin Skift følsomhed)9,10,11. Brillouin målinger i grumset medier, vores instrument er i stand til at erhverve Brillouin spektre af uklare prøver med 2,25 spredning begivenheder i tid så kort som 100 ms, hvilket er 3-fold hurtigere end den, der bruges af en VIPA spektrometer med en multipass Fabry-Perot-baseret Rayleigh afvisning filter i grumset prøver med 0,13 - 1.33 spredning begivenheder13. I modsætning til VIPA spektrometre, SBS spektrometre kræver ikke nogen specialiserede Rayleigh afvisning filtre, og i sagens natur giver fremragende kontrast, selv i grumset prøver med stærk elastisk spredning10,11.

Den nuværende SBS spektrometer er endnu ikke nået skud-stoejgraensen. Spektrometer støj er domineret af intensitet støj i ikke-uklare prøver og elektrisk støj i grumset medier11. Som et resultat, signal-til-støj-forholdet (og dermed erhvervelse tid) af SBG signal er begrænset. For at overvinde denne begrænsning, kunne en støjsvag elektriske forstærker inden registrering af lock-in bruges til yderligere reducere tid, erhvervelse af SBG spektre i spredning materialer uden faldende Brillouin Skift følsomhed11. Desuden ville brug af skud-støj-limited laser kilder med højere afvisning af omstrejfende pumpe lys i et sandt backscattering geometri optimalt øge signal-til-støj-forholdet mellem spektrometer, giver mulighed for kortere tid for optagelse SBG spektre med høj Brillouin Skift følsomhed11.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ikke noget at oplyse.

Acknowledgments

IR er taknemmelig Azrieli grundlaget for ph.d.-stipendium 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 sag 127 stimuleret Brillouin spredning ikke-lineære spektroskopi materiale analyse fase-følsomme påvisning Vapor celler spektrometre
High-Speed kontinuerte stimuleret Brillouin spredning spektrometer 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