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Engineering

用于材料分析的高速连续波受激布里渊散射光谱仪

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

我们描述了一个快速 continuous-wave-受激-布里渊散射 (CW-SBS) 光谱仪的构造。该光谱仪采用单二极管激光器和原子蒸气缺口滤波器来获得高光谱分辨率的混浊/non-turbid 样品的透射光谱, 其速度比现有的 CW-SBS 光谱仪快100倍。这种改进可以实现高速布里渊材料分析。

Abstract

近年来, 自发布里渊光谱仪在非接触性分析软物质, 如水溶液和生物材料等方面的使用有了显著增加, 获得了快速的采集时间。在这里, 我们讨论的组装和运行的布里渊光谱仪, 使用受激布里渊散射 (SBS) 测量的受激布里渊增益 (SBG) 光谱的水和脂 emulsion-based 组织样样品在传输模式与 < 10 兆赫光谱分辨率和 < 35 MHz 布里渊位移测量精度在 < 100 ms. 分光计由两个近拉曼光 continuous-wave (CW) 窄线宽激光器组成, 其频率失谐的 780 nm 扫描通过材料布里渊移位。通过采用 ultra-narrowband 热 rubidium-85 气陷式过滤器和相敏探测器, 与现有的 CW-SBS 光谱仪相比, SBG 信号的信噪比得到显著提高。这种改进使测量的 SBG 频谱高达100倍的更快的采集时间, 从而促进高光谱分辨率和高精度的布里渊分析软材料的高速。

Introduction

自发布里渊光谱学近年来已经建立, 作为一种有价值的方法, 用于机械分析软材料, 如液体, 真实组织, 组织幻影和生物细胞1,2, 3,4,5,6,7。在这种方法中, 一个单一的激光照射的样品和光, 是弹性散射从自发的热声波在介质中收集的分光计, 提供有用的信息的粘弹性性质的样品。自发布里渊频谱包括两个布里渊峰在声波斯托克斯和反斯托克斯共振的材料, 和瑞利峰在照明激光频率 (由于弹性散射光)。对于布里渊散射几何, 布里渊频率由几个 GHz 从照明激光频率转移, 有数百兆赫的频谱宽度。

当扫描法布里-珀罗光谱仪已 systems-of-choice 获得自发布里渊光谱在软物质1,2, 最近的技术进步在几乎成像相阵列 (VIPA)光谱仪已启用显着更快 (秒) 布里渊测量与适当的频谱分辨率 (子 GHz)3,4,5,6,7。在本协议中, 我们提出了一个不同的, 高速, 高光谱分辨率, 精确的布里渊光谱仪的基础上检测 continuous-wave-受激-布里渊散射 (CW-SBS) 光从 non-turbid 和混浊样品在一个几乎反散射几何。

在 cw-SBS 光谱中, continuous-wave (cw) 泵和探针激光器, 在频率上略谐, 在样品中重叠以刺激声波。当泵与探头横梁的频率差与材料的特定声学共振相匹配时, 探头信号的放大或 deamplification 分别由受激布里渊增益或损耗 (SBG/SBL) 过程提供;否则, 没有 SBS (de) 放大发生8,9,10,11。因此, SBG (SBL) 频谱可以通过扫描在材料布里渊共振的激光之间的频率差和检测增加 (减少), 或增益 (损失), 在探针强度由于 SBS。与自发布里渊散射不同的是, 弹性散射背景在 SBS 中是固有的, 在混浊和 non-turbid 样品中都能得到优异的布里渊对比度, 而不需要 VIPA 的瑞利滤波器。光谱仪10,11,13。

CW-SBS 光谱仪的主要组成部分是泵浦和探针激光器以及受激布里渊增益/损耗检测器。对于高光谱分辨率, 高速 CW-SBS 光谱学, 激光器需要单 (#60; 10 MHz 线宽) 与足够宽波长调谐 (20-30 ghz) 和扫描率 (和 #62; 200 GHz/秒), 长期频率稳定 (和 #60; 50MHz/小时) 和低强度噪音。此外, 该泵 (探头) 横梁上需要具有几百 (数十) 兆瓦的功率的线性偏振和衍射有限激光束。最后, 应设计受激布里渊增益/损耗检测器, 以可靠地检测弱向后受激布里渊增益/损耗 (SBG/SBL) (10-5 -10-6) 的软物质。为了满足这些需求, 我们选择了分布式反馈 (DFB) 二极管激光器耦合到极化维护光纤和受激布里渊增益/损耗探测器结合 ultra-narrowband 原子蒸气缺口滤波器single-modulation 锁相放大器, 如图 1所示。此检测方案使 SBG 信号的强度加倍, 同时显著降低探头强度中的噪声, 而所需的 SBG 信号嵌入11。请注意, 在我们的 SBS 光谱仪中使用的原子气陷式过滤器的作用是显著减少不需要的杂散泵反射的检测, 而不是减少在 VIPA 光谱仪中检测到的弹性散射背景自发瑞利和布里渊散射光。使用下面详述的协议, 可以构造一个 CW-SBS 光谱仪, 能够获得水和组织幽灵的透射谱, 其 SBG 水平低至 10-6 , #60; 35 MHz 布里渊移位测量精度和在100毫秒以内。

Figure 1
图 1: 连续波受激布里渊散射 (CW-SBS) 光谱仪.两个 continuous-wave 泵和探针二极管激光器 (DL), 频率谐周围的布里渊转移的样本, 是耦合成极化维护单模光纤与直 c1和 c2, 分别。测量泵探头的频率差, 通过检测从泵剥离的光束和使用一组光纤分配器 (FS)、快速光电探测器 (平板显示器) 和频率计数器 (FC) 的探测激光器之间的跳动频率。S 极化探头光束 (浅红色), 扩展使用 Keplerian 光束膨胀器 (l1和 l2), 是右圆极化的四分之一波板 (λ1/4), 并专注于样本 (S) 由一个消色差透镜 (l3)。为有效的 SBS 相互作用和光隔离, 泵梁 (深红色), 扩大使用 Keplerian 扩束器 (l5和 l6), 是第一个 P 极化使用波板λ2/4), 然后通过极化传输光束分配器 (PBS), 并最终留下圆极化的四分之一波板 (λ2/4), 并专注于样品与无色透镜 (l4; 与 l3相同)。请注意, 泵和探头横梁几乎 counter-propagate 在样品中, 并使用 S 型偏振器 (p) 来防止 p 极化泵光束 (来自λ1/4) 进入探针激光器。对于锁定检测, 泵浦光束在fm 上正弦调制, 并带有声光调制器 (AOM)。SBG 信号, 表现为强度变化在频率fm (参见插页), 被解调用由大面积光电二极管 (PD) 检测后的锁定放大器。为了显著消除光电二极管中的杂散泵反射, 在泵浦波长周围使用窄带布拉格滤波器 (BF) 和原子陷波器 (85RB), 同时用遮光虹膜 (I)。数据通过连接到个人电脑 (PC) 的数据采集卡进行记录, 以进一步分析布里渊频谱。所有折叠镜 (m1-m6) 用于将光谱仪放在一个 18 "×24" 板上, 垂直安装在光学工作台上, 以方便水样样品的放置。请单击此处查看此图的较大版本.

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Protocol

注意: 除非另有说明, (i) 将所有支架连接至开机自检座, 并用夹紧叉或安装底座固定在光学工作台上, 并 (ii) 使用输出激光功率 2-10 兆瓦的所有对准程序.

注意: 在安装过程中打开所有电气/光电设备, 并在使用前允许30分钟预热时间.

1. 准备探头光束光学路径

  1. 安装并对准探头激光器的光纤准直器。
    1. 将 33:67 FC/APC 偏振保持光纤分配器 (FS 端口 T 的 1 ) 的输入光纤连接到探针激光器的光纤耦合器。将光纤分配器的67% 输出光纤 (FS 端口1的 1 ) 连接到光纤准直器 (C 1 )。将光纤准直器连接到6轴运动学安装 (和 #216; x, 和 #216; y , #216; z , x, y, z)。通过调整激光光纤耦合器的 x、y 和 z 螺钉, 将功率计放在光纤瞄准镜的后面, 并使激光器的功率最大化.
    2. 旋转光纤准直器 (或要对齐的光学元件) 以将激光偏振调整到 s-偏振方向, 这里垂直于光学表平面。通过用功率计的辅助偏光分束器测量最小 (最大) 激光透射 (反射), 确定激光光束是 s-极化的.
    3. 将两个辅助对准虹膜从光学表 (3 和 #39; #39; 在此设置中) 安装在同一高度。对于沿系统光轴传输的光束, 并与光学工作台平行, 在整个系统的对准过程中, 该高度应保持恒定。将一只虹膜放在表中的光纤准直器 (或要对准的光学元件) 后面的安装孔上, 并 #60; 50 mm 距离。将第二个虹膜放置在共线表的安装孔中, 使其远离第一个虹膜 (和 #62; 300 mm).
    4. 通过调整 x、y 和 #216, 使光纤准直器 (或要对准的光学元件) 的输出光束与系统的光轴对齐; x 和 #216; y 运动学安装的螺钉, 直到激光束同心两个虹膜的中心.
  2. 设置 Keplerian 光束扩展器.
    1. 在固定光学装载中装入透镜 (L 1 、f 1 = 25 mm)。
    2. 按照1.1.3 中的步骤安装两个辅助校准虹膜。微调透镜的侧面位置和俯仰角, 使透射光束同心至两个虹膜的中心.
    3. 在固定光学安装中安装第二个透镜 (L 2 、f 2 = & #160; 50 mm)。将安装后基座连接到与系统光轴对齐的线性平移阶段。放置舞台, 使镜头位于第一个镜头的 f 1 + f 2 的距离。按1.2.2 中的描述对齐镜头.
    4. 在第二个透镜后放置一个剪切干涉仪, 以确认光束是准直的。将第二个透镜沿系统的光轴平移, 直到产生的干涉条纹与剪切干涉仪的扩散板上的参考线平行.
  3. 折叠光束膨胀器的输出光束。
    1. 在具有间距 (#216; x ) 和偏航 (和 #216; y ) 调整的运动学挂载中安装镜像 (M 1 )。将镜像定向到 45 o 相对于元素 C 1 -L 1 -l- 2 的光学轴。
    2. 按照1.1.3 中的步骤安装两个辅助校准虹膜。调整和 #216; x 和 #216; y 螺钉安装, 直到反射光束与定义系统光轴的两个虹膜中心同心.
  4. 设置示例照明光学。
    1. 在6轴运动装入 (和 #216 中装入零阶四分之一波板 (和 #955; 1 /4); x、 和 #216; y , #216; z , x, y, z) 距离折叠镜像 (M 1 ) 大约 150 mm, 离开在片前放置一个偏光片 (P) 的足够空间, 如2.7 所述。将片旋转 45 o 相对于其快速轴以产生圆极化状态.
    2. 在片的同一运动学上安装聚焦透镜 (L 3 、f 3 = 30 mm)。按照 1.1. 3-4 中的程序对齐通过透镜传输的光束.
  5. 设置示例的集合光学。
    1. 装入6轴运动学挂载 (& #216; x, 和 #216; y , #216; z , x, y, z) 到差分线性平移阶段, 距离聚焦透镜 (L 3 ) 大约 60 mm。在运动学安装中安装零阶四分之一波板 (和 #955; 2 /4)。将片旋转 45 o 相对于其快速轴, 并通过按照1.1.2 中的步骤确认激光光束是 s-极化的.
    2. 将集合透镜 (L 4 、f 4 = 30 mm) 装入片的同一运动学安装中。按照 1.1. 3-4 中的程序对齐通过透镜传输的光束。确认光束是准直的, 如1.2.4 所述.
    3. 将偏振分束器立方体 (PBS) 安装到带有螺距 (和 #216; x ) 和偏航 (和 #216; y ) 的运动学安装上, 并将其放在片 (如图1所示)。按照1.1.3 的程序安装两个辅助对准虹膜。调整和 #216; x 和 #216; y 螺钉的光束分配器安装, 直到反射的光束是同心中心的两个虹膜, 定义了系统的光轴.

2。准备泵浦光束光学路径

  1. 安装和对准泵浦激光器的光纤准直器。
    1. 将泵浦激光器的放大端口的光纤连接到光纤准直器 (C 2 )。安装和对准泵浦激光器的光纤准直器, 如 1.1.3-4 所述.
  2. 将泵的波长调至 rubiduim-85 D2 F g = 3 吸收线.
    1. 将一个 rubidium-85 的蒸汽电池放在泵浦激光器的光纤准直器 (C 2 ) 的后面.
    2. 将辅助光电探测器置于蒸汽电池后面, 以测量泵浦光束通过电池的传输。将光电探测器连接到示波器。按 #39; Autoset 和 #39; 示波器上的按钮自动设置 photodetecto 的读出信号的振幅和时间轨迹r.
    3. 将激光控制器上的温度旋钮设置为 780.24 nm 的铷 D2 吸收线的激光波长, 通过辅助光电探测器 (请参见步骤 2.2.2)。将激光温度设置为确定的水平.
    4. 将函数生成器的输出连接到泵浦激光器控制器的当前调制输入.
    5. 将一个三角形波从函数发生器应用到激光器控制器的当前调制输入, 以便在晚上60点 (30 GHz) 上缓慢地扫描激光波长。为此, 请按 #39; 通道选择和 #39; 在函数生成器上的按钮, 然后选择通道1。接下来, 按 #39; 坡道和 #39; 按钮, 然后 #39; 连续和 #39; 按钮设置通道以生成三角形波形。按 #39; 振幅和 #39; 快捷键, 将波形振幅设置为 2.25 Vpp (峰电压) 和 #39; 频率/周期和 #39; 快捷键将波形频率设置为 5 mHz。最后, 按下 #39; #39; 按钮打开函数生成器的通道.
    6. 尽可能精确地识别将泵波长带到 rubidium-85 D2 F g = 3 吸收线的当前电平, 方法是通过使用辅助光电探测器测量铷电池中的最小透光率 (见步骤 2.2.2)。通过旋转激光器控制器上的当前旋钮, 将激光器电流设置为所识别的电平。取出铷电池和辅助光电探测器。最后, 从激光器控制器的当前调制输入中断开函数发生器的连接.
  3. 装入并对齐激光线清除过滤器.
    1. 放置激光线清理滤镜 (反射式布拉格滤镜;BF) 在带有螺距 (和 #216; x ) 和偏航 (和 #216; y ) 的运动安装中, 从光纤准直器 (C 2 ) 的 250 mm 的距离进行调整.
    2. 在过滤器的传输 (反射) 光路径中放置一个功率计, 并通过在螺距轴上旋转滤镜来最小化 (最大化) 光束功率, 以匹配布拉格输入角度 (8 o 在此设置中)。微调和 #216; x 和 #216; y 螺钉的运动学安装以优化对齐.
    3. 将反射到滤镜上的光束折叠到与在过滤器输入中的光束平行的方向, 使用两个镜像 (m 2 , m 3 ) 安装在带有俯仰和偏航调整的运动坐骑上.
    4. 按照1.1.3 中的步骤安装两个辅助校准虹膜。调整和 #216; x 和 #216; 两个镜像的 y 螺钉安装, 直到从第二个镜像反射的光束与定义系统的光轴的虹膜中心同心.
  4. 装入和对齐声光调制器。
    1. 装入和对齐透镜 (L 5, f 5 = 100 mm), 将泵浦光束聚焦到1.2.2 中描述的声光调制器 (AOM) 中。镜头疏后, 在放置 AOM 之前, 将透镜 L 5 从其安装中轻轻移除, 以避免损坏 AOM.
    2. 将 AOM 挂载到5轴平台上 (#216; x、 和 #216; y 、x、y、z), 距离聚焦透镜 (L 5 ) 大约 100 mm。确保通过该调制器的入口窗口传播的泵浦光束是 s-极化的 (见 2.1.2) 以优化调节器性能.
    3. 使用 50 #937; 同轴电缆将调制器驱动程序的射频输出连接到调节器的 rf 输入。打开驱动程序, 然后按 #39; 模式和 #39; 驱动程序上的按钮, 以使声光调制器在 continuous-wave 模式下运行.
    4. 将功率计放在调制器输出的后面, 仅测量一阶衍射光束的功率。调整调制器的布拉格角, 通过在俯仰轴 (和 #216; x ) 中旋转调节器来最大化一阶衍射光束的功率.
    5. 将 finelythe 聚焦透镜 (L 5 ) 重新定位在其安装中, 将泵浦光束集中到调制器中, 并实现所需的快速上升/下降时间 (10 ns 50 和 #181; 此设置中的 m 光束直径焦点)。调节 x、y、z 和 #216; x 和 #216; 调制器的安装平台的 y 螺钉, 以最大限度地提高一阶衍射光束的功率.
    6. 使用两个镜像 (M 4 , 将调制器输出的光束折叠到与调制器输入平行的方向. M 5 ) 安装在具有螺距 (和 #216; x ) 和偏航 (和 #216; y ) 的运动坐骑上描述在 2.3. 3-4.
    7. 将第二个镜头 (L 6、 f 6 = 200 mm) 装入和对齐, 并将其与调制器输入的聚焦透镜的距离 f 5 + f 6 准, 如 1.2. 3-4 所述。这个透镜与聚焦透镜在调制器输入形成一个 Keplerian 束膨胀为泵浦束, 匹配泵浦和探针光束直径在聚焦在样品之前 (S).
  5. 设置泵的 P 极化光学。在旋转装入中安装零级波板 (#955;/2)。将片放在泵浦束的 Keplerian 光束膨胀器的第二透镜后面 (L 6 )。旋转片以调整光束到 P 极化方向, 这里与光学工作台平面平行。通过用功率计的辅助偏光分束器测量最大 (最小) 激光透射 (反射), 确认激光束是 P 极化的.
  6. 在片的输出处折叠和横向移动光束.
    1. 在具有间距 (#216; x ) 和偏航 (和 #216; y ) 的运动安装中, 在距波板 (和 #955;/2) 50 mm 的距离上安装一个镜像 (M 6 )。将运动学安装的后基座连接到与系统光轴对齐的线性平移阶段。将镜像定向到 45 o , 使其与元素和 #955 的光轴相对应;/2-PBS.
    2. 对齐反射镜和偏振分光器的光束, 如 1.3. 1-2 所述。确认通过偏振分束器传输的泵浦光束与探头光束光路共线使用激光查看卡.
    3. 将镜像的方向垂直于泵浦探头聚焦透镜 (l 4 -l 3 ) 的光轴, 将其转换为 3 mm, 以产生用于最小化杂散泵反射的样品的离轴泵照明.
  7. 在探测器光学路径中设置泵阻挡光学。在旋转装入中安装线性偏振器 (P)。在探针光路中将偏光片 (M 1 ) 和第一个片 (#955; 1 /4) 放在探头光学路径中, 从这些组件的每一个大约 75 mm。旋转偏振器以最小化 (最大化) 泵 (探头) 光束的传输.

3。准备用于检测泵和探头激光器的频率失谐的方案

  1. 设置探头和泵浦激光器的光纤.
    1. 将 50:50 FC/APC 偏振保持光纤分配器 (FS 端口1的 2 ) 的输入光纤连接到泵浦激光器的放大端口的光纤耦合器。使用配对套筒将探头光纤分路器的33% 输出光纤 (fs 端口2的 1 ) 连接到泵浦光纤分路器的50% 输入光纤 (fs 端口 2 2 ).
    2. 用功率计测量50:50 泵浦光纤分路器 (FS 端口 T) 2 ) 的输出光纤的光功率, 并确保总的光功率为和 #60; 10 mW, 以防止光纤耦合光电探测器 (平板显示器) 的饱和。将50:50 泵浦光纤分配器 (FS 端口 T 的 2 ) 的输出光纤连接到高速光纤耦合光电探测器的输入.
  2. 将快速光电探测器的 k 公连接器直接连接到微波频率的 GHz 波段的 k 女性连接器uency 计数器 (FC).

4。设置受激布里渊增益/损耗检测器

  1. 准备 rubidium-85 的气室.
    1. 将整个单元格用导热衬垫包装。将热胶带绕在细胞的边缘。在电池中心放置一个热电偶以监测加热温度。确保热电偶不接触到热胶带。将热电偶与温度计连接, 以读取电池温度.
    2. 将整个单元格用聚四氟乙烯胶带包裹起来, 以便在其位置保存热带和热电偶, 并将电池从环境中热隔离。在两个边缘保持热胶带的两端通畅。将热带的两个引线连接到0-30 伏, 5 直流电源.
    3. 在偏光分光器 (PBS) 的反射光路中装入单元格。确保探头光束击中单元格的中心.
    4. 在单元格前安装虹膜 (I)。打开虹膜, 使探头光束可以完全通过。这种虹膜有助于最小化杂散泵反射.
  2. 设置光电探测器。
    1. 将光电探测器 (PD) 放在铷电池的后面。光电探测器, 安装在一个铝盒, 包括大面积光电二极管和自制 RC 低通滤波器 (R = 1 k 和 #937;, C = 0.1 和 #181; F), 降低反向偏置电压的噪音。确保探头光束使用激光查看卡击中光电二极管的中心.
    2. 使用50和 #937 将光电二极管阴极端子连接到0-30 伏、5直流电源; 同轴电缆。通过转动电源上的电压旋钮, 应用 25 V 的反向偏置, 使光电二极管在光导模式下进行高频检测.
  3. 设置锁定放大器。
    1. 将光电探测器连接到一个50和 #937; 使用50和 #937 的同轴低通滤波器 (LPF) 的 1.9 MHz 带宽; 同轴电缆。将同轴 LPF 的输出直接连接到锁定放大器的信号输入。按 #39; #39; 锁定放大器上的按钮, 将锁定放大器的信号输入阻抗设置为50和 #937;.
    2. 使用50和 #937 将函数发生器的通道1连接到锁定放大器的参考输入; 同轴电缆。按 #39; 在函数生成器上选择通道和 #39 按钮, 然后选择通道1。接下来, 按 #39; 正弦和 #39; 按钮, 然后 #39; 连续和 #39; 按钮设置通道以产生正弦波形。按 #39; 振幅和 #39; 快捷键将波形振幅设置为 0.7 Vpp 和 #39; 频率/周期和 #39; 快捷键将波形频率设置为 f m = 1.1 MHz.
    3. 将函数发生器的通道2连接到使用50和 #937 的声光调制器驱动程序的外部模拟输入; 同轴电缆。按照4.3.2 中的步骤设置 1 Vpp, f m = 1.1 MHz 正弦波波形在通道2上.
    4. 按 #39; #39; 在函数生成器上的按钮打开通道1和 2, 并通过推动和 #39 来锁定它们的相位关系; 对齐阶段和 #39; 在函数生成器上调整挡板按钮.
    5. 开关 #39; 模式和 #39; 声光调制器驱动程序的按钮, #39; 正常 #39; 状态。现在, 泵浦光束在 f m = 1.1 MHz 上进行了光学调制。

5。系统的最后准备和性能优化

  1. 设置数据获取单元.
    1. 使用同轴电缆将微波频率计数器 (FC) 的模拟输出连接到数据采集单元 (数据采集器) 的一个模拟输入。按 #39;D ac 和 #39;, #39; 1 和 #39; #39; 0 和 #39; 频率计数器上的按钮, 用于将频率读数精度设置为 10 MHz。此通道监视泵探头频率失谐.
    2. 连接 #39; X 和 #39; 锁定放大器 (功率放大器) 的输出到使用同轴电缆的数据采集单元的第二个模拟输入。按 #39; 输出和 #39; #39 的按钮; X 和 #39; 锁定放大器上的通道以激活通道。使用此通道可监视受激布里渊增益 (SBG) 信号电平.
    3. 使用 BNC 三通连接器将函数生成器的输出通道拆分为两个单独的通道。使用同轴电缆将一个通道连接到探头激光控制器的电流调制输入和第二通道到数据采集单元的第三模拟输入。使用此第二通道获取探针激光器的电流调制信号.
    4. 将数据采集单元的 USB 输出连接到计算机。在数据获取软件包中编写程序, 以可视化并记录数据获取单元 14 中描述的上述信号.
  2. 在测量室中装入水样.
    1. 用蒸馏水填充国产500和 #181; m 厚的玻璃腔。该室是由两个圆形25毫米直径0.17 毫米厚的玻璃片间距由一个500和 #181; m 厚的聚四氟乙烯胶带.
    2. 在3轴的机动翻译阶段安装一个室架。将测量室放置在支架上, 并将其转换为探头和泵浦聚焦透镜的关节焦点 (分别为 3 和 l 4 ), 使用机动阶段。
  3. 加热铷电池。
    1. 为 780 nm 激光使用佩戴激光安全眼镜。增加泵浦激光器的功率以获得和 #62; 250 兆瓦在样品通过转动当前旋钮在锥形放大器控制器和测量力量在样品之前用功率计.
    2. 通过按下 #39 将锁定放大器的时间常数设置为1秒; 解决上/下 #39; 锁定放大器上的按钮。通过推 #39 将锁定放大器的低通滤波器设置为 24 dB/10月; 过滤斜坡向上/向下和 #39; 按钮。通过按下 #39, 将锁定放大器的灵敏度设置为 1 mVrms; 向上/向下和 #39; 按钮。利用锁相放大器的对准相位函数, 通过推 #39、平移和 #39; #39;P 阿希姆佛海托维奇和 #39; 按钮, 将放大器的参考和信号输入之间的相移调整为零.
    3. 通过观察 #39 上的读数来监视杂散泵的反射; X 和 #39; 锁定放大器的通道.
    4. 重新泵的波长到 rubiduim-85 D 2 F g = 3 吸收线通过轻轻地转动激光控制器上的当前旋钮, 以获得在 #39 上的最小杂散泵反射读数; X & #39; 锁定放大器的通道.
    5. 在连接到热磁带的电源上设置 17 V DC, 使铷电池预热到 90 o c. 等待几分钟, 直到温度计读数稳定在所需的电池温度。注: 在 #39 上观察到的信号读数; X 和 #39; 锁相放大器的通道在加热过程中应迅速下降 (由于细胞吸收的显著增加).
  4. 测量和优化水中的 SBG 信号.
    1. 增加探头激光器的功率以获得和 #62; 10 mW 在样品上通过转动当前旋钮在 laser 控制器和测量力量在样品之前用功率计.
    2. 粗略调整探头波长至 rubiduim-85 D2 F g = 3 吸收线, 方法是将探头激光控制器上的温度旋钮旋转, 并用功率计测量铷电池后的最小激光功率电平.
    3. > 微调探头波长比泵波长长, 通过转动探头激光控制器上的电流旋钮, 直到 #62; 10 兆瓦, 近似地恒定, laser 功率水平在铷细胞之后被测量用功率计。注: 如果探针波长比泵浦激光器短, 则 rubidium-85 细胞的附加吸收带会显著降低电池输出的探针功率.
    4. 设置泵和探头激光器之间的频率失谐, 使探头激光控制器上的电流旋钮与频率计数器 (FC) 上的频率失谐读数相匹配, 从而匹配水 (5 GHz) 的布里渊移动。注: 对于负 (正) 一阶衍射光束, 这些读数应该比布里渊移位更大 (小于), 由声光调制器的射频驱动频率 (在这个设置中210兆赫).
    5. 将锁定放大器的灵敏度设置为100和 #181; vrm 并按照5.3.3 中的步骤调整放大器的参考和信号输入到零之间的相移.
    6. 优化泵和探头横梁的交叉效率 (i) 微调和 #216; x 和 #216; y 泵梁折叠镜的运动学安装螺钉 (M 6 ), 和 (ii) 稍微平移泵聚焦透镜 (L 4 ) 沿系统的光轴.
    7. 确保 #39 上的更高信号读数; X 和 #39; 锁定放大器的通道主要是由于 SBG 信号 (而不是从杂散泵反射), 通过阻断探头光束和测量杂散泵的不变水平而产生的。对 #39 的思考; X 和 #39; 锁相放大器的信道.
    8. 重复步骤 5.4. 6-7 直到 SBG 信号达到最大值 (-#62; 2 和 #181; vrm), 同时将杂散泵的反射保持在不变的最低水平.

6。测量和分析 SBG 频谱

  1. 创建探头调制电流与泵探头频率失谐的校准曲线.
    1. 将探头激光控制器上的当前旋钮设置为 5 GHz (围绕水的布里渊移动) 将泵和探头激光器之间的频率失谐.
    2. 按 #39; #39; #39; 5 和 #39; 微波频率计数器 (FC) 上的按钮, 用于将栅极时间设置为1毫秒, 从而在连续频率失谐测量之间提供采样间隔100毫秒。按照 2.2.5 150 mVpp 和 50 mHz 的波形振幅和频率参数, 将三角形波应用于探头激光器控制器的电流调制输入。这将允许在 2 GHz 范围内缓慢扫描探头波长 (从而导致泵探头频率失谐).
    3. 将数据采集单元 (数据采集) 的采样率设置为100采样/s/通道, 并使用 home-written 数据记录泵探头频率失谐和探针激光调制电流信号从二十年代的数据采集单元 (超过 4-6 GHz)获取程序.
    4. 在计算软件程序中加载测量数据。用线性模型拟合泵探头频率失谐数据。请注意, 也可以使用高阶多项式拟合 (由于泵探头频率失谐测量的非线性)。也适合探针激光调制当前数据与线性模型.
    5. 通过在计算软件程序中存储来生成校准曲线泵探头频率失谐拟合样本作为探头调制电流拟合样本的函数.
  2. 以高速测量 SBG 频谱.
    1. 装入示例-代码 (S), 例如, 在实验中使用的蒸馏水, 如 5.2.1-2 所述。重复步骤 5.4.1-8.
    2. 将锁定放大器的时间常数设置为和 #8805; 100、#181; 通过按下和 #39; 在锁相放大器上按下/下 #39;采用三角形波对探头激光器控制器的电流调制输入进行跟踪, 分别按照 2.2.5 150 mVpp 和50赫兹的波形幅值和频率参数。这将允许在 2 GHz 范围内快速扫描探头波长 (从而使泵探头频率失谐).
    3. 将数据采集单元 (数据采集) 的采样率设置为和 #8804; 10万采样/s/通道, 并记录 SBG 和探针激光调制电流信号从数据采集单元的 #8805; 10 毫秒 (超过 4-6 GHz) 使用 home-written 数据获取程序.
  3. 可视化并分析 SBG 频谱.
    1. 在计算软件程序中加载记录在6.2.6 中的测量数据.
      2. 通过在6.1.5 中存储的校准曲线中识别这些值,
    2. 将测量的探头的激光调制电流值转换为泵探头频率失谐值.
    3. 从频谱中减去平均噪声层, 并通过将 SBG 测量与泵探头频率失谐值进行绘制来可视化 SBG 频谱.
    4. 将频谱与洛伦兹曲线相匹配。对于洛伦兹参数的初始猜测, 请使用频谱的最高点的振幅、频率位置和半角.
    5. 分别在洛伦兹拟合的 half-maximum 中检索最大和全角的频率位置, 以计算测试样本的布里渊移位和线宽.

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Representative Results

图 2b和3b显示了蒸馏水和脂质乳胶组织幻像样本的典型点 SBG 谱 (2.25 散射事件和 45 cm-1的衰减系数) 分别在 10 ms 和100毫秒内测量。为了比较, 我们测量了十年代的 SBG 谱, 如图 2a和3a所示。在这些测量中, rubidium-85 蒸气细胞被加热到90° c 衰减杂散泵反射通过 ~ 104和传输和 #62; 95% 探针光;在 h11上保持稳定的级别。此外, 空间分辨率, 这里定义为横向全角在 half-maximum 的 SBS 强度检测到的焦点, 估计是大约8µm10。在水和组织幽灵中获得的快速获得的光谱的平均布里渊位移分别为 5.08 ghz 和 5.11 ghz。这些布里渊移位估计值与十年代记录的频谱和以前发布的含水样品的布里渊数据9、10、11的计算结果相比较。图中的插图显示了从200连续的 SBG 谱测量中检索到的布里渊移位估计的直方图。根据所观测到的布里渊移位分布的高斯分布的标准差, 对所得布里渊移位的精度进行了评估。在水和组织幻像样本中获得了 8.5 mhz 和 33 mhz 的标准偏差, 这代表了检测材料力学中细微变化的高测量精度。虽然这里使用的泵功率水平很高 (〜 250-270 兆瓦), 由于水的吸收在 780 nm 估计是和 #60; 0.53 K, 因此可以忽略在这项工作中使用的水样本10。此外, 在120s 连续暴露于这些功率水平时, 观察到水和脂乳剂样品的 SBG 谱的短期不稳定性。

Figure 2
图 2: 受激布里渊增益 (SBG) 水的光谱.在 (a) 十年代获得的水的代表性 SBG 谱和 (b) 10 毫秒点和实线分别代表测量值和洛伦兹拟合。镶嵌显示了相应的直方图的布里渊漂移估计水。请单击此处查看此图的较大版本.

Figure 3
图 3: 组织幻影的受激布里渊增益 (SBG) 谱.具有代表性的 SBG 谱的脂乳剂组织幽灵 (2.25 散射事件和衰减系数为45厘米-1) 获得的 (a) 十年代和 (b) 100 毫秒点和实线表示测量值和洛伦兹适合, 分别。镶嵌显示了组织幻像的布里渊移位估计的相应直方图。请单击此处查看此图的较大版本.

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Discussion

该系统在图 1中所示, 设计为在 18 "x 24" 板上构建, 可以垂直安装在光学表上, 从而便于放置水样样品。因此, 重要的是要强烈收紧所有的光学和机械元件, 并确保泵和探头梁是共线和同心的各种元素之前, 照亮样品在离轴几何。

观察受激布里渊增益信号的困难可能是由于过多的杂散泵反射, 掩盖了水样样品的弱布里渊增益 (~ 10-6)。为了解决这些可能遇到的困难, 首先确保将分室定位在探头和泵浦聚焦透镜的关节焦点 (l3和 l4, 分别)。然后, 稍微关闭在铷细胞之前放置的虹膜 (I) 并且/或者稍微翻译一下泵浦光束 (M6) 的折叠镜, 以进一步消除对杂散泵反射的检测。请注意, 这些过程也将减少布里渊信号, 但可能提供一个更好的出发点, 以检测受激布里渊增益信号在水中。如果信号仍未检测到, 使用甲醇或二硫化碳, 其布里渊增益明显强于水8,10。另外, 对于 non-turbid 样品的测量, 可以使用较厚的玻璃腔 (十倍于3/l4的共焦参数), 大大减少了对杂散泵反射的检测。

在协议中, 我们描述了 2 GHz 的受激布里渊增益谱的高速测量。要将测量扩展到较大的带宽 (例如, 在与 #62 分离的多个布里渊频移的示例中), 必须在扩展频率失谐的情况下生成探针调制电流的校准曲线泵和探头激光器的范围。刻意, 该曲线应修正为激光频率扫频与调制电流的小非线性。另外, 可以将泵探头频率失谐的快速监测方案集成到光谱仪中, 以取代微波频率计数器 (FC)。

这里所提出的设置所测量的布里渊频移和线宽可以转换为一个已知密度和样本4的折射率的 GHz 频率的材料复杂纵向模数。在自发布里渊光谱学中, 材料刚度张量的其他元素 (例如, 剪切模量) 可以利用 SBS 光谱来探测不同天使的散射光和泵浦光的偏振态。布里渊频谱, 然后表现出较低的信噪比 (由于泵和探头光束在样本10,11,12) 和更小的布里渊频率更小的交叉效率转移和线 (由于减少的交叉角) 比那些在几乎背向散射几何获得。因此, 需要使用较长的测量时间和较窄线的激光器。

为了测量 non-turbid 样品中的布里渊光谱, 我们目前的 SBS 光谱仪提供的采集时间与 VIPA 光谱仪4获得的相媲美, 并且比现有的100倍的速度快。continuous-wave 受激布里渊散射光谱仪 (具有类似的布里渊移位灵敏度)9,10,11。对于混浊介质中的布里渊测量, 我们的仪器能够在短至100毫秒的时间内获得2.25 散射事件的混浊样品的布里渊光谱, 它比 VIPA 光谱仪使用的多法布里-Perot-based 的速度快3倍。0.13-1.33 散射事件的混浊样品中的瑞利抑制滤波器13。不像 VIPA 光谱仪, SBS 光谱仪不需要任何专业的瑞利拒绝过滤器, 并天生提供优异的对比度, 即使在混浊样品与强弹性散射10,11。

目前的 SBS 光谱仪尚未达到射噪极限。光谱仪噪声主要由 non-turbid 样品中的强度噪声和混浊介质中的电噪声11控制。因此, SBG 信号的信噪比 (即捕获时间) 是有限的。为了克服这一局限性, 在不降低布里渊移位灵敏度11的情况下, 可以使用在锁定检测之前的低噪声电放大器来进一步减少散射材料中 SBG 谱的捕获时间。此外, 在真正的后向散射几何中, 使用具有较高抑制杂散泵光的射噪限制激光光源, 将能最佳地提高光谱仪的信噪比, 使记录 SBG 谱的时间更短高布里渊移位灵敏度11。

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Disclosures

作者没有什么可透露的。

Acknowledgments

IR 感谢列基金会的博士奖学金奖。

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

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References

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工程 问题 127 受激布里渊散射 非线性光谱学 材料分析 相位敏感检测 蒸气细胞 光谱仪
用于材料分析的高速连续波受激布里渊散射光谱仪
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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).

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