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 Continuous-wave gestimuleerd Brillouin verstrooiing Spectrometer voor materiaal 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

Beschrijven we de bouw van een snelle continuous-wave-gestimuleerd-Brillouin-verstrooiing (CW-SBS) spectrometer. De spectrometer heeft één-frequentie-diodelasers en een atomaire damp inkeping-filter te verwerven transmissie spectra van troebel/niet-troebel monsters met hoge spectrale resolutie bij snelheden tot 100-fold sneller dan die van bestaande CW-SBS spectrometers. Deze verbetering maakt een snelle Brillouin materiële analyse.

Abstract

De afgelopen jaren getuige geweest van een aanzienlijke toename van het gebruik van spontane Brillouin spectrometers voor contactloze analyse van zachte materie, zoals waterige oplossingen en biomaterialen, met snelle overname times. Hier bespreken we de vergadering en werking van een Brillouin spectrometer die gebruikmaakt van gestimuleerd Brillouin verstrooiing (SBS) voor het meten van gestimuleerd Brillouin winst (SBG) spectra van water en lipide emulsie gebaseerde weefsel-achtige monsters in verzendmodus met < 10 MHz spectrale resolutie en < 35 precisie van de meting van de MHz Brillouin-shift op < 100 ms. de spectrometer bestaat uit twee bijna teeltmateriaal contra continuous-wave (CW) smalle-linewidth lasers op 780 nm waarvan frequentie verstemming wordt gescand door de materiële Brillouin verschuiving. Met behulp van een ultra-smalband hete rubidium-85 damp notch filter en een fase-gevoelige detector, de-naar-ruis-signaalverhouding van het signaal van de SBG is aanzienlijk verbeterd in vergelijking met die verkregen met bestaande CW-SBS spectrometers. Deze verbetering kunt meten van SBG spectra met maximaal 100-fold snellere overname tijden, teneinde hoge spectrale resolutie en hoge-precisie Brillouin analyse van zachte materialen op hoge snelheid.

Introduction

Spontane Brillouin spectroscopie is vastgesteld, in de afgelopen jaren, als een waardevolle aanpak voor de mechanische analyse van zachte materialen, zoals vloeistoffen, echte weefsel, weefsel fantomen en biologische cellen1,2, 3,4,,5,,6,7. In deze benadering, een enkele laser verlicht het monster en licht dat is inelastically verspreid van spontane thermische akoestische golven in het medium is verzameld door een spectrometer, het verstrekken van nuttige informatie over de visco-eigenschappen van het monster. De spontane Brillouin spectrum omvat twee Brillouin pieken bij de akoestische Stokes en anti-Stokes resonanties van het materiaal, en een piek van Rayleigh in de verhelderende laser-frequentie (als gevolg van elastisch verstrooide licht). Voor een Brillouin backscattering geometrie, de Brillouin frequenties worden verschoven door verschillende GHz van de lichtdoorlatende laser-frequentie en spectrale breedte van honderden MHz.

Terwijl de systemen-van-keuze voor het verwerven van spontane Brillouin spectra in zachte materie1,2scannen Fabry-Pérot spectrometers geweest, de recente technologische vooruitgang in vrijwel fase matrix (VIPA) beeld spectrometers hebt ingeschakeld aanzienlijk sneller (sub-seconde) Brillouin metingen met voldoende spectrale resolutie (sub-GHz)3,4,5,6,7. In dit protocol presenteren wij de bouw van een verschillende, hoge snelheid, hoge spectrale resolutie, nauwkeurige Brillouin spectrometer gebaseerd op de detectie van continuous-wave-gestimuleerd-Brillouin-verstrooiing (CW-SBS) licht van niet-troebel en troebel monsters in een bijna terug verstrooiing geometrie.

In CW-SBS spectroscopie overlappen continuous-wave (CW) pomp en sonde lasers, licht ontstemd in frequentie, in een monster te stimuleren van akoestische golven. Als het frequentie verschil tussen de pomp en sonde balken overeenkomt met een specifieke akoestische resonantie van het materiaal, wordt versterking of deamplification van het signaal van de sonde verzorgd door gestimuleerde Brillouin winst of verlies (SBG/SBL) processen, respectievelijk; anders treedt er geen SBS (de) versterking op8,9,10,11. Dus, een spectrum van SBG (SBL) kan worden verkregen door het scannen van het frequentie verschil tussen de lasers over de materiële Brillouin resonanties en opsporen van de toename (afname), of winst (verlies), in de intensiteit van de sonde als gevolg van SBS. In tegenstelling tot in spontane Brillouin verstrooiing, elastische verstrooiing achtergrond is inherent afwezig in SBS, waardoor uitstekende Brillouin contrast in troebel zowel niet-troebel monsters zonder enige noodzaak voor Rayleigh afwijzing filters als vereist in VIPA spectrometers10,11,13.

De belangrijkste bouwstenen van een spectrometer CW-SBS zijn de pomp en sonde lasers en de gestimuleerd Brillouin winst/verlies detector. Voor hoge spectrale resolutie, hoge snelheid CW-SBS spectroscopie, moeten de lasers single-frequentie (< 10 MHz linewidth) met voldoende breed golflengte tunability (20-30 GHz) en scannen (> 200 GHz/s), de stabiliteit van de frequentie van de lange termijn (< 50 MHz/h) en lage intensiteit lawaai. Bovendien, lineair gepolariseerde en diffractie-limited laser balken met bevoegdheden van enkele honderden (tientallen) van mW op monster nodig zijn voor de pomp (sonde) bundel. Tot slot moet de gestimuleerd Brillouin winst/verlies detector worden ontworpen om betrouwbaar detecteren van zwakke neerwaarts gestimuleerd Brillouin winst/verlies (SBG/SBL) niveaus (10-5 - 10-6) in zachte materie. Om aan deze behoeften voldoen, geselecteerd we gedistribueerde feedback (DFB) diodelasers gekoppeld aan het behoud van polarisatie vezels samen met een gestimuleerd Brillouin winst/verlies detector combineren een ultra-smalband atomaire damp inkeping-filter en een hoge-frequentie single-modulatie lock-in versterker als geïllustreerd in Figuur 1. Deze regeling detectie verdubbelt de intensiteit van het signaal van de SBG terwijl het aanzienlijk verminderen van lawaai in de intensiteit van de sonde, waar het gewenste signaal van de SBG ingesloten11 is. Merk op dat de rol van de atomaire damp inkeping-filter gebruikt in onze SBS spectrometer is aanzienlijk te verminderen de detectie van ongewenste verdwaalde pomp reflecties in plaats van te verlagen van de elastische verstrooiing achtergrond zoals in VIPA spectrometers, die zowel detecteert spontane Rayleigh en Brillouin verspreid licht. Met behulp van het protocol die hieronder worden beschreven, een CW-SBS-spectrometer figuur kan worden geconstrueerd met de mogelijkheid van het verwerven van transmissie spectra van water en weefsel phantoms met SBG niveaus zo laag als 10-6 op < 35 MHz Brillouin-shift meting precisie en binnen 100 ms of minder.

Figure 1
Figuur 1: Continuous-wave gestimuleerd Brillouin verstrooiing (CW-SBS) Spectrometer. Twee continuous-wave pomp en sonde diodelasers (DL), frequentie rond de Brillouin verschuiving van het monster, ontstemd zijn gekoppeld in behoud van polarisatie enkelvoudige modus vezels collimator C1 en C2, respectievelijk. De pomp-sonde frequentie verschil wordt gemeten door het detecteren van de beat frequentie tussen balken geschild van de pomp en sonde lasers met behulp van een set van vezel splitters (FS), een snelle foto (FPD)-elektrische cel en een frequentie counter (FC). De sonde S-gepolariseerd licht (licht rood), uitgebreid met behulp van een Kepleriaanse balk expander (L1 en L2), klopt circulair gepolariseerd door een kwart-golf-plaat (lambda1van /4) en gericht op het monster (S) door een achromatische lens (L3). Voor effectieve SBS interactie en optische isolatie, de pomp lichtbundel (diepe rode), uitgebreid met behulp van een Kepleriaanse balk expander (L5 en L6), is eerst P-gepolariseerde met behulp van een half-golf plaat λ2/4), vervolgens verzonden via een polariserende balk splitter (PBS), ten slotte links circulair gepolariseerd door een kwart-golf-plaat (lambda2van /4) en is gericht op het monster met een achromatische lens (L4; hetzelfde als L3). Merk op dat de pomp en sonde balken bijna tegen in de steekproef uitdragen en die een S-georiënteerde polarisator (P) werd gebruikt om te voorkomen dat de lichtbundel van de P-gepolariseerde pomp (uit λ1/4) de sonde laser. Voor de lock-in detectie, is de pomp bundel sinusoidally gemoduleerd op fm met een akoestisch-optische modulator (AOM). Het signaal van de SBG, manifesteerde als intensiteit variaties op frequentie fm (zie inzet), is gedemoduleerd meteen lock-in versterker (LIA) na detectie van een groot-gebied fotodiode (PD). Voor belangrijke eliminatie van verdwaalde pomp reflecties in de fotodiode, worden een smalband Bragg filter (BF) en een atomaire notch filter (85RB) rond de pomp golflengte gebruikt naast met een licht-blokkerende iris (I). Gegevens is geregistreerd door een overname gegevenskaart (DAQ) aangesloten op een personal computer (PC) voor verdere analyse van het spectrum Brillouin. Alle opklapbare spiegels (M1- M6) worden gebruikt om de spectrometer op een 18'' × 24'' breadboard die verticaal gemonteerd is op de optische tafel voor het vergemakkelijken van de plaatsing van waterige monsters past. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Opmerking: tenzij anders vermeld, (i) alle mounts te plaatsen van houders en draai de post honken schoon met een klemmen vork of montage basis aan de optische tabel sluit, en (ii) gebruik output laser bevoegdheden van 2-10 mW voor alle uitlijning procedures.

Opmerking: zet alle opto-elektrische/elektronische apparaten in de setup en 30 min van warmup tijd vóór gebruik toestaan.

1. voorbereiden van de lichtbundel van de optische weglengte van sonde

  1. monteren en uitlijnen van de collimator van de vezel van de sonde laser.
    1. Verbinden de input vezel van een 33:67 FC/APC polarisatie-behoud vezel splitter (poort T van FS 1) aan de fiber coupler van de laser van de sonde. De vezel van de 67%-output van de vezel splitter (poort 1 van FS 1) verbinden met de vezel collimator (C-1). De vezel collimator hechten aan een 6-assige kinematische mount (Ø x Ø y, Ø z, x, y, z). Plaats een energiemeter achter de vezel collimator en de kracht van de laser te maximaliseren door aanpassing van de x, y en z schroeven van de laser fiber coupler.
    2. Draaien de vezel collimator (of de optisch element moeten worden uitgelijnd) om aan te passen de polarisatie van de laser in de richting van de S-polarisatie, die hier staat loodrecht op het vlak van de optische tabel. Controleer of de laserstraal S-gepolariseerd is door het meten van minimaal (maximaal) laser transmissie (reflectie) via een auxiliary polariserende balk splitter met een Energiemeter.
    3. Mount twee ondersteunende uitlijning irissen op een identieke hoogte uit de optische tabel (3 ' ' in deze opstelling). Voor de vermeerdering van de lichtbundel langs de optische as van het systeem en parallel aan de optische tabel, moet deze hoogte worden gehandhaafd constante tijdens de uitlijning van het gehele systeem. Plaats een iris in een tabel montage gat achter de vezel collimator (of de optisch element moeten worden uitgelijnd) < 50 mm afstand. Plaats de tweede iris in een collineaire tabel montage gat voldoende ver van de eerste iris (> 300 mm).
    4. Uitlijnen de lichtbundel van de uitvoer van de vezel collimator (of de optisch element moeten worden uitgelijnd) langs de optische as van het systeem door de x, y, Ø x en Ø y schroeven voor de kinematische mount aan te passen totdat de laserstraal is concentrisch aan de centrum van beide irissen.
  2. Een Kepleriaanse balk expander instellen.
    1. Een lens mount (L 1, f 1 = 25 mm) in een vaste optische mount.
    2. Mount twee ondersteunende uitlijning irissen door het volgen van de procedure in 1.1.3. Fijn de zijligging en de hoek van de toonhoogte van het objectief zodanig aanpassen dat de overgebrachte lichtbundel concentrische naar het midden van beide irissen is.
    3. Een tweede lens mount (L 2, f 2 = 50 mm) in een vaste optische mount. Bevestig de mount post basis naar een lineaire translationeel werkgebied uitgelijnd met de optische as van het systeem. Plaats het werkgebied zodanig dat de lens op een afstand van f 1 + f 2 van de eerste lens. Uitlijnen van de lens, zoals beschreven in 1.2.2.
    4. Plaats een schuintrekken interferometer achter de tweede lens om te bevestigen dat de lichtbundel is collimated. Vertalen van de tweede lens langs de optische as van het systeem tot de interferentie marge geproduceerd parallel aan de referentielijn regeerde op de plaat van de diffusor voor het schuintrekken interferometer zijn.
  3. Vouwen van de lichtbundel van de uitvoer van de lichtbundel expander.
    1. Monteren van een spiegel (M-1) in een kinematische mount met worp (Ø x) en yaw (Ø y) aanpassingen. Oriënteren van de spiegel te 45 o ten opzichte van de optische as langs de elementen C 1 - L 1 - L 2.
    2. Mount twee ondersteunende uitlijning irissen door het volgen van de procedure in 1.1.3. De Ø x en Ø y schroeven van de berg spiegel aanpassen totdat de teruggekaatste lichtbundel concentrische naar het midden van beide irissen die de optische as van het systeem definieert.
  4. Instellen op de steekproef verlichting optica.
    1. Mount een nul-order kwart-golf plaat (lambda 1 / 4) in een 6-assige kinematische mount (Ø x Ø y, Ø z, x, y, z) op een afstand van ongeveer 150 mm vanaf de vouwen mirror (1 M), verlaten voldoende ruimte voor het plaatsen van een polarisator (P) vóór de waveplate zoals beschreven in punt 2.7. Draaien van de waveplate door 45 o ten opzichte van haar snelle as een circulair polarisatie staat opleveren.
    2. Mount een focus lens (L 3, f 3 = 30 mm) in dezelfde kinematische mount van de waveplate. Uitlijnen van de lichtbundel doorgegeven via de lens door de procedure in 1.1.3-4.
  5. De optiek van de collectie van het monster instellen.
    1. Mount een 6-assige kinematische mount (Ø x Ø y, Ø z, x, y, z) op een differentieel lineaire translationeel stadium een afstand van ongeveer 60 mm van de focus lens (L 3). Monteren van een nul-volgorde kwart-golf-plaat (lambda 2 / 4) in de kinematische mount. De waveplate door 45 o ten opzichte van haar snelle as draaien en bevestigen dat de laserstraal S-gepolariseerd is door het volgen van de procedure in 1.1.2.
    2. Een collectie lens mount (L 4, f 4 = 30 mm) in dezelfde kinematische mount van de waveplate. Hiermee lijnt u de lichtbundel doorgegeven via de lens door de procedure in 1.1.3-4. Bevestigen dat de lichtbundel is collimated zoals beschreven in 1.2.4.
    3. Een polariserende beam-splitter kubus (PBS) monteren op een kinematische montering met toonhoogte (Ø x) en yaw (Ø y) aanpassingen en plaats deze achter de waveplate (zoals weergegeven in figuur 1). Mount twee ondersteunende uitlijning irissen door het volgen van de procedure in 1.1.3. De Ø x en Ø y schroeven van de berg beam-splitter aanpassen totdat de teruggekaatste lichtbundel concentrische naar het midden van beide irissen die de optische as van het systeem definieert.

2. Voorbereiden van de lichtbundel van de optische weglengte van pomp

  1. monteren en uitlijnen van de collimator van de vezel van de pomp laser.
    1. Verbinden de vezel van de versterkte poort van de pomp laser de vezel collimator (C 2). Monteren en uitlijnen van de collimator van de vezel van de laser van de pomp, zoals beschreven in 1.1.3 - 4.
  2. Afstemmen op de golflengte van de pomp naar de rubiduim-85 D2 F g 3 absorptie-lijn =.
    1. Het plaatsen van een cel rubidium-85 damp achter de collimator van de vezel van de laser van de pomp (C 2).
    2. Situeren een ondersteunende foto-elektrische cel achter de damp cel voor het meten van de transmissie van de lichtbundel van de pomp door middel van de cel. De foto-elektrische cel verbinden met een oscilloscoop. Druk op de ' aan ' knop op de oscilloscoop instellen automatisch de amplitude en tijd spoor van het signaal van de uitlezing van de photodetector.
    3. ingesteld grof de golflengte van de laser op het rubidium D2 absorptie lijn, 780.24 nm, door te draaien aan de temperatuur-knop op de controller van de laser op een niveau waar minimale lichttransmissie wordt gemeten door de rubidium cel door de ondersteunende foto-elektrische cel ( Zie stap 2.2.2). De laser-temperatuur ingesteld op het vastgestelde niveau.
    4. Sluit de uitgang van een functiegenerator aan op de huidige ingang van de modulatie van de pomp laser controller.
    5. Een driehoek golf van een functiegenerator toepassen op de huidige ingang van de modulatie van de controller van de laser te langzaam de golflengte van de laser scan over 60 uur (30 GHz). Hiertoe drukt u op de ' kanaal selecteren ' knop op de functiegenerator en selecteert u kanaal 1. Druk daarna op de ' helling ' knop en vervolgens de ' continu ' knop om het kanaal tot de golfvorm van een driehoek. Druk op de ' Amplitude ' sneltoets in te stellen van de amplitude van de golfvorm op 2,25 Vpp (piek-tot-piek spanning) en de ' frequentie/periode ' snelkoppeling-knop om de golfvorm frequentie tot 5 mHz. Druk tot slot op de ' op ' knop om te schakelen op het kanaal van de functiegenerator.
    6. Identificeren zo nauwkeurig mogelijk het huidige niveau waardoor de pomp golflengte de D2 rubidium-85 F g = 3 absorptie lijn door het meten van minimale lichttransmissie via de rubidium cel met behulp van de ondersteunende foto (Zie-elektrische cel stap 2.2.2). De laser huidige op het vastgestelde niveau ingesteld door te draaien aan de huidige knop op de controller van de laser. Verwijder de cel rubidium en de ondersteunende foto-elektrische cel. Tot slot de functiegenerator verbreken door de huidige ingang van de modulatie van de laser controller.
  3. Monteren en uitlijnen van de laser-lijn schoonmaakoperaties filter.
    1. Plaats de laser-lijn opschonen filter (een reflecterende Bragg filter; BF) in een kinematische monteren met worp (Ø x) en yaw (Ø y) aanpassingen op een afstand van 250 mm uit de vezel collimator (C 2).
    2. Plaats een vermogen meter in de optische weglengte van transmissie (reflectie) van het filter en minimaliseren (maximaliseren) de bundelvermogen door het draaien van het filter in de as van de toonhoogte aan de ingang hoek van Bragg (8 o in deze opstelling). Fijn de Ø x en Ø y schroeven voor de kinematische mount voor het optimaliseren van de uitlijning aanpassen.
    3. Vouwen de lichtbundel weerspiegeld het filter terug naar een richting parallel aan die van de lichtbundel op de filter ingevoerd met behulp van de twee mirrors (M 2, M 3) gemonteerd op kinematische mounts met pitch en yaw aanpassingen uitschakelt.
    4. Mount twee ondersteunende uitlijning irissen door het volgen van de procedure in 1.1.3. De Ø x en Ø y schroeven van beide spiegel mounts aanpassen totdat het licht weerkaatst door de tweede mirror concentrische naar het midden van beide irissen die de optische as van het systeem definieert.
  4. Monteren en uitlijnen van de akoestisch-optische modulator.
    1. Mount en uitlijnen van een lens (L 5, f 5 = 100 mm) te richten van de straal van de pomp in een akoestisch-optische modulator (AOM) zoals beschreven in 1.2.2. Na lens voedsel, halen voorzichtig de lens L 5 van haar berg voorafgaand aan de AOM te plaatsen om te voorkomen dat schade aan de AOM.
    2. De AOM op een 5-assige platform (Ø x Ø y, x, y, z) op een afstand van ongeveer 100 mm van de focus lens (L 5) mounten. Zorg ervoor dat de pomp lichtbundel teeltmateriaal door het raam van de ingang van de modulator S-gepolariseerd (zie 2.1.2) voor het optimaliseren van de prestaties van de modulator.
    3. Sluit de RF uitgang van de modulator-stuurprogramma op de RF-ingang van de modulator met behulp van een coaxiale kabel van 50-Ω. Inschakelen van de bestuurder en de druk op de ' modus ' knop op het stuurprogramma zodat de akoestisch-optische modulator in continuous-wave modus werkt.
    4. Plaats een energiemeter achter de modulator output te meten van de kracht van de eerste-orde eiwitkristallen lichtbundel alleen. Aanpassen van de Bragg-hoek van de modulator te maximaliseren van de macht van de eerste-orde eiwitkristallen lichtbundel door het draaien van de modulator in de toonhoogte as (Ø x).
    5. Verplaatsen finelythe gericht lens (L 5) in haar mount te richten van de straal van de pomp in de modulator en het bereiken van de gewenste snelle stijging/daling van de tijd (10 ns voor ~ 50 µm lichtbundel doorsnede focus in deze opstelling). Aanpassen van de x, y, z, Ø x en Ø y schroeven voor de montage platform van de modulator te maximaliseren van de macht van de eerste-orde eiwitkristallen lichtbundel.
    6. Vouwen de balk aan de uitgang van de modulator naar een richting parallel aan die van de lichtbundel op de input van de modulator met behulp van de twee mirrors (M 4, M 5) gemonteerd op kinematische mounts met pitch (Ø x) en yaw (Ø y) aanpassingen als beschreven in 2.3.3-4.
    7. Mount en uitlijnen van een tweede lens (L 6, f 6 = 200 mm) op een afstand van f 5 + f 6 van de focus lens op de modulator input voor collimate van de lichtbundel gemoduleerde pomp zoals beschreven in 1.2.3-4. Deze lens samen met de focus lens op het invoerformulier modulator een Kepleriaanse balk expander voor de pomp lichtbundel, overeenkomen met de pomp en sonde lichtbundel diameters voorafgaand aan zich te concentreren op het monster (S).
  5. De pomp P-polarisatie optica instellen. Monteren van een nul-volgorde half-golf plaat (λ/2) in een rotatie-mount. Plaats de waveplate achter de tweede lens van de expander beam Kepleriaanse van de pomp lichtbundel (L 6). Draai de waveplate om aan te passen van de lichtbundel naar de richting van P-polarisatie, die hier evenwijdig aan de optische tabel vlak. Controleer of de laserstraal P-gepolariseerd is door het meten van maximale (minimaal) laser transmissie (reflectie) via een auxiliary polariserende balk splitter met een Energiemeter.
  6. Vouwen en lateraal shift de balk aan de uitgang van de waveplate.
    1. Monteren van een spiegel (M 6) in een kinematische mount met worp (Ø x) en yaw (Ø y) aanpassingen op een afstand van 50 mm van de half-golf plaat (λ/2). De basis van de post van de kinematische mount hechten aan een lineaire translationeel werkgebied uitgelijnd met de optische as van het systeem. De spiegel te 45 o ten opzichte van de optische as langs de elementen λ/2-PBS oriënteren.
    2. Uitlijnen de lichtstraal door de spiegel en de polariserende weerkaatst balk splitter, zoals beschreven in 1.3.1-2. Bevestigen dat de lichtbundel van de pomp doorgegeven via de polariserende balk splitter is collineair met het optische weglengte van de sonde balk met behulp van een laser card. bekijken
    3. Vertalen de spiegel met 3 mm in een richting loodrecht op de optische as van de pomp-sonde focus lenzen (L 4-L 3) te produceren uit assen pomp verlichting van het monster (S) die verdwaalde pomp reflecties minimaliseert.
  7. De pomp blokkeert optiek in de optische weglengte van sonde instellen. Monteer een lineaire polarisator (P) in een rotatie-mount. Plaats de polarisator tussen de opklapbare spiegel (M-1) en de eerste waveplate (λ 1 / 4) in de optische weglengte van de sonde, ongeveer 75 mm van elk van deze componenten. Draaien van de polarisator om te minimaliseren (maximaliseren) transmissie van de lichtbundel van de pomp (sonde).

3. De regeling voor te bereiden voor het opsporen van de frequentie verstemming van de pomp en de sonde Lasers

  1. instellen op de glasvezel voor de sonde en pomp lasers.
    1. Verbinden de input vezel van een 50:50 FC/APC behoud van polarisatie vezel splitter (poort 1 van FS 2) aan de fiber coupler van de niet-versterkte poort van de laser van de pomp. Sluit de vezel 33%-uitgang van de sonde vezel splitter (poort 2 van FS 1) naar de 50%-input fiber van de pomp vezel splitter (poort 2 van FS 2) met behulp van een paring sleeve.
    2. Meet de optische macht op de vezel van de uitvoer van de 50:50 pomp vezel splitter (poort T van FS 2) met een energiemeter en ervoor zorgen dat het totale vermogen van de optische < 10 mW ter voorkoming van de verzadiging van de vezel-coupled foto-elektrische cel (FPD). De vezel van de uitvoer van de 50:50 pomp vezel splitter (poort T van FS 2) sluit aan op de ingang van een high-speed glasvezel-coupled foto-elektrische cel.
  2. De K mannelijke connector van de snelle foto-elektrische cel rechtstreeks verbinden met de K van vrouwelijke connector van de GHz-band voor een magnetron-frequency teller (FC).

4. Set Up the gestimuleerd Brillouin winst/verlies Detector

  1. bereiden de cel rubidium-85 damp.
    1. Wrap de gehele cel met een thermisch geleidend pad. Wikkel een warmte-tape rond de randen van de cel. Plaats een thermokoppel in het midden van de cel om de verwarming temperatuur te bewaken. Zorg ervoor dat het thermokoppel niet aan de warmte-tape raakt. De thermokoppel verbinden met een thermometer om te lezen uit de cel temperatuur.
    2. Wrap de gehele cel met een polytetrafluorethyleen tape te houden de warmte rompslomp en thermokoppel op hun plaatsen en thermisch isoleren van de cel uit de omgeving. Laat het einde van de serie band ongehinderd aan beide randen. Draad van de twee leidt van de warmte-band tot en met een 0-30 V, 5 A DC voeding.
    3. Mount de cel in de optische weglengte van de reflectie van de polariserende balk splitter (PBS). Zorgen dat de sonde lichtbundel het midden van de cel raakt.
    4. Mount een iris (I) voor de cel. Open de iris zodat de sonde lichtbundel volledig kan passeren. Deze iris helpt bij het minimaliseren van verdwaalde pomp reflecties.
  2. De foto-elektrische cel instellen.
    1. Plaats de foto-elektrische cel (PD) achter de rubidium cel. De foto-elektrische cel, gehuisvest in een aluminium vak, bestaat uit een fotodiode groot-gebied en een zelfgemaakte RC low-pass filter (R = 1 kΩ, C = 0,1 µF) dat reduceert ruis van de omgekeerde bias spanning. Zorgen dat de sonde lichtbundel raakt het midden van de fotodiode met behulp van een laser card. bekijken
    2. De fotodiode kathode terminal verbinden met de 0-30 V, 5 A DC voeding met behulp van een coaxiale kabel van 50 Ω. Toepassing van een omgekeerde bias van 25 V, door te draaien aan de knop spanning op de voeding, zodat de fotodiode wordt geëxploiteerd in fotogeleidende modus voor hoge-frequentie detectie.
  3. Instellen op de versterker lock-in.
    1. Verbinden de foto-elektrische cel met een 50Ω coaxiale low-pass filter (LPF) 1.9 MHz bandbreedte met behulp van een coaxiale kabel van 50 Ω. Sluit de uitgang van de coaxiale LPF rechtstreeks naar het ingangssignaal van de lock-in versterker (LIA). Druk op de ' Sig-Z In ' knop op de versterker lock-in te stellen van het signaal ingangsimpedantie van de versterker lock-in naar 50Ω.
    2. Connect channel 1 van een functiegenerator aan de referentie-ingang van de versterker lock-in met behulp van een coaxiale kabel van 50 Ω. Druk op de ' kanaal selecteren ' knop op de functiegenerator en selecteert u kanaal 1. Druk daarna op de ' sinus ' knop en vervolgens de ' continu ' knop om het kanaal te produceren een sinusoïdale stroom. Druk op de ' Amplitude ' sneltoets in te stellen van de amplitude van de golfvorm op 0,7 Vpp en de ' frequentie/periode ' snelkoppeling-knop om de golfvorm frequentie tot f m = 1.1 MHz.
    3. Connect channel 2 van de functiegenerator naar de externe analoge ingang van het akoestisch-optische modulator-stuurprogramma met behulp van een coaxiale kabel van 50 Ω. Volg de procedure in 4.3.2 instellen een 1 Vpp, f m = 1.1 MHz sinusoïdale stroom op kanaal 2.
    4. Druk op de ' op ' knop op de functiegenerator te schakelen kanalen 1 en 2 en vergrendelen van hun relatie fase door te drukken de ' uitlijnen fase ' bezel knop op de functiegenerator.
    5. Schakelaar de ' modus ' knop op de akoestisch-optische modulator bestuurder ' Normal ' staat. De straal van de pomp is nu optisch gemoduleerd op f m = 1.1 MHz.

5. Laatste voorbereidingen van het systeem en de optimalisatie van prestaties

  1. instellen op de data-acquisitie apparaat
    1. Verbinden de analoge uitgang van de magnetron frequentie teller (FC) op een analoge ingang van de overname gegevenseenheid (DAQ) met behulp van een coaxiale kabel. Druk op de ' DAC ', ' 1 ' en ' 0 ' knoppen op de teller van de frequentie om de frequentie-uitlezing nauwkeurigheid tot 10 MHz. Dit kanaal controleert de pomp-sonde frequentie verstemming.
    2. Verbinden de ' X ' output van de lock-in versterker (LIA) aan de tweede analoge ingang van de data-acquisitie eenheid met behulp van een coaxiale kabel. Druk op de ' Output ' knop van de ' X ' kanaal op de versterker lock-in aan het activeren van het kanaal. Gebruik dit kanaal monitoren de gestimuleerd Brillouin-gewin (SBG) signaal niveau.
    3. Een uitvoerkanaal van een functiegenerator gesplitst in twee afzonderlijke kanalen met een BNC-tee-connector. De huidige ingang van de modulatie van de sonde laser controleur en het tweede kanaal met de derde analoge ingang van de gegevenseenheid acquisitie via coaxkabels verbinden met één kanaal. Gebruiken van dit tweede kanaal voor het verkrijgen van het stroomsignaal van de modulatie van de sonde laser.
    4. Sluit de USB-uitgang van de overname van de gegevenseenheid op een computer. Een programma schrijven in een softwarepakket voor overname van gegevens te visualiseren en het opnemen van de hierboven beschreven signalen van de data acquisitie eenheid 14.
  2. Monteren van een watermonster in de meting zaal.
    1. Vulling een huis-gebouwde 500 µm dik glas kamer met gedestilleerd water. De kamer is samengesteld twee ronde 25 mm diameter 0,17 mm dik glas coverslips verdeeld door een 500 µm dik polytetrafluorethyleen tape.
    2. Mount houder van een kamer op een 3-as gemotoriseerde vertaling podium. Plaats van de meting-kamer in de houder en vertalen naar de gezamenlijke focuspunt van de sonde en de pomp scherpstellen lenzen (L 3 en L 4, respectievelijk) met behulp van de gemotoriseerde fase.
  3. Heat van de cel van rubidium.
    1. Slijtage laser veiligheidsbril voor 780 nm laser gebruik. Vergroten van de kracht van de laser van de pomp te verkrijgen > 250 mW op de steekproef door te draaien de huidige knop op de controller tapered-versterker en meting van het vermogen net voor het monster met een Energiemeter.
    2. Set de tijdconstante van de lock-in versterker (LIA) aan 1 s door te drukken op de ' regelen up/down ' knoppen op de versterker lock-in. Het low-pass filter van de versterker lock-in ingesteld op 24 dB/okt door het indrukken van de ' Filter helling up/down ' knoppen. 1 mVrms de lock-in versterker gevoeligheid instellen door op te drukken de ' Sens up/down ' knoppen. De functie Uitlijnen fase van de versterker lock-in aanpassen van de faseverschuiving tussen de referentie- en signaal ingangen van de versterker op nul door het indrukken van de ' Shift ' en ' fase ' knoppen.
    3. Volgen de weerspiegeling van de verdwaalde pomp door het observeren van de uitlezingen op de ' X ' kanaal van de lock-in versterker.
    4. Retune de golflengte van de pomp naar de rubiduim-85 D 2 F g = 3 absorptie lijn door zachtjes draaien de huidige knop op de controller van de laser te verkrijgen van een minimale verdwaalde pomp reflectie uitlezing op de ' X ' kanaal van de lock-in versterker.
    5. Set 17 V DC op de macht levering aangesloten op de tape van de warmte te warmen de rubidium cel 90 o C. wacht een paar minuten totdat de uitlezing van de thermometer stabiliseert op de gewenste cel temperatuur. Opmerking: De uitlezingen signaal waargenomen op de ' X ' kanaal van de versterker lock-in moet snel laten vallen tijdens de verwarming (als gevolg van de aanzienlijke stijging van de absorptie van de cel).
  4. Maatregel en optimaliseren van het signaal van de SBG in water.
    1. Verhogen de kracht van de laser van de sonde te verkrijgen > 10 mW op de steekproef door te draaien de huidige knop op de controller van de laser en meting van het vermogen net voor het monster met een Energiemeter.
    2. Grof afstemmen de golflengte van de sonde naar de rubiduim-85 D2 F g = 3 absorptie lijn door te draaien de temperatuur-knop op de sonde laser controller en een minimale laser energieniveau achter de rubidium cel meten met een Energiemeter.
    3. fijn afstemmen van de golflengte van de sonde te langer dan de golflengte van de pomp door te draaien aan de huidige knop op de controller laser sonde tot > 10 mW, ongeveer constant, laser niveaus zijn gemeten vermogen achter de rubidium cel met een Energiemeter. Opmerking: Als de sonde golflengte korter dan die van de laser van de pomp en is vervolgens de extra absorptie banden van de cel rubidium-85 aanzienlijk verminderen het vermogen van de sonde bij de uitvoer van cel.
    4. Stel de frequentie verstemming tussen de pomp en sonde lasers aan de Brillouin verschuiving van water (~ 5 GHz) door te draaien de huidige knop op de controller van de laser sonde en observeren de frequentie verstemming uitlezingen op de teller van de frequentie (FC). Opmerking: Voor de negatieve (positieve) eerste-orde eiwitkristallen lichtbundel, deze uitlezingen moet groter (kleiner) dan de Brillouin verschuiving door de frequentie van de akoestisch-optische modulator (210 MHz in deze opstelling) rijden RF.
    5. De lock-in versterker gevoeligheid ingesteld op 100 µVrms en aanpassen van de faseverschuiving tussen de referentie- en signaal-ingangen van de versterker op nul door het volgen van de procedure in 5.3.3.
    6. Optimaliseren de efficiency van de kruising van de pomp en sonde balken door (i) fijn aanpassing van de Ø x en Ø y schroeven van de kinematische vatting van de opklapbare spiegel van de pomp lichtbundel (M 6), en (ii) licht het vertalen van de pomp lens (L 4) langs de optische as van het systeem gericht.
    7. Zorg ervoor dat hoger signaal uitlezingen op de ' X ' kanaal van de versterker lock-in leiden overwegend uit een verhoogde SBG signaal (in plaats van losse pomp reflecties) door het blokkeren van de sonde lichtbundel en meten ongewijzigd niveaus van verdwaalde pomp beschouwingen over de ' X ' kanaal van de lock-in versterker.
    8. Herhaal stappen 5.4.6-7 totdat het signaal van de SBG een maximum bereikt (> 2 µVrms), terwijl het houden van verdwaalde pomp reflecties op een ongewijzigd minimumniveau.

6. Meten en analyseren van een Spectrum van SBG

  1. maken van een ijkcurve van sonde modulatie huidige vs pomp-sonde frequentie verstemming.
    1. Stellen de frequentie verstemming tussen de pomp en sonde lasers tot 5 GHz (rond de Brillouin verschuiving van water) door te draaien aan de huidige knop op de controller van de laser sonde.
    2. Druk op de ' RES ' en ' 5 ' knoppen op de magnetron frequentie teller (FC) om de tijd van de poort tot 1 ms, bieden een voorbeeldinterval voor 100 ms tussen opeenvolgende frequentie verstemming metingen. Een driehoek golf op de huidige ingang van de modulatie van de sonde laser controller toepassen overeenkomstig de procedure van 2.2.5 met golfvorm parameters van de amplitude en frequentie van 150 mVpp en 50 mHz, respectievelijk. Hierdoor zal de golflengte van de sonde langzaam te scannen (en dus de pomp-sonde frequentie verstemming) over 2 GHz.
    3. De samplefrequentie voor de overname gegevenseenheid (DAQ) ingesteld op 100 monsters/s/kanaal en registreren de pomp-sonde frequentie verstemming en sonde laser modulatie huidige signalen van de overname van de gegevenseenheid voor 20 s (meer dan 4-6 GHz) met behulp van de home-schriftelijke gegevens acquisitie programma.
    4. Laden de meetgegevens in een computationele softwareprogramma. Passen de pomp-sonde detuning frequentiegegevens met een lineair model. Merk op dat er ook kunt u gebruik maken van een polynomiale pasvorm van hogere orde (als gevolg van de niet-lineariteit van de frequentie van de pomp-sonde verstemming metingen). Passen ook de sonde laser modulatie huidige gegevens met een lineair model.
    5. Genereren van de ijkcurve door op te slaan in een computationele softwareprogramma de frequentie van de pomp-sonde verstemming fit monsters als een functie van de sonde modulatie huidige passen monsters.
  2. Meet een spectrum van de SBG op hoge snelheid.
    1. Monteren van de monster-onder-test (S), bijvoorbeeld, gedestilleerd water zoals gebruikt in de experimenten, zoals beschreven in 5.2.1 - 2. Herhaal stap 5.4.1 - 8.
    2. De lock-in versterker (LIA) tijdconstante instellen ≥ 100 µs door te drukken op de ' regelen up/down ' knoppen op de versterker lock-in. Een driehoek golf op de huidige ingang van de modulatie van de sonde laser controller toepassen overeenkomstig de procedure van 2.2.5 met golfvorm parameters van de amplitude en frequentie van 150 mVpp en 50 Hz, respectievelijk. Hierdoor kan snel scannen de sonde golflengte (en dus de pomp-sonde frequentie verstemming) over 2 GHz.
    3. De samplefrequentie voor de overname gegevenseenheid (DAQ) ingesteld op ≤ 100.000 monsters/s/kanaal en record de SBG en de sonde laser de huidige signalen van de modulatie van de eenheid van de overname van gegevens voor ≥ 10 ms (meer dan 4-6 GHz) met behulp van de home-schriftelijke gegevens acquisitie programma.
  3. Visualiseren en analyseren van het spectrum van de SBG.
    1. Belasting de meetgegevens in 6.2.6 in een computationele softwareprogramma opgenomen.
    2. De gemeten sonde laser modulatie huidige waarden omzetten in pomp-sonde frequentie verstemming waarden door het identificeren van deze waarden in de ijkcurve die is opgeslagen in 6.1.5.
    3. Aftrekken van de gemiddelde noise-floor van het spectrum en de SBG spectrum door het uitzetten van de metingen van de SBG tegen de frequentie van de pomp-sonde verstemming waarden visualiseren.
    4. Past het spectrum met een Lorentz curve. Voor eerste schatting van de Lorentz parameters, gebruik de amplitude, de positie van de frequentie en de volle breedte op de helft van het hoogste punt van het spectrum.
    5. De Brillouin shift en linewidth van het onderzochte monster berekenen door het ophalen van de positie van de frequentie van de maximum- en volledige breedte bij half-maximum van de Lorentz pasvorm, respectievelijk.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Cijfers 2b en 3b weer typische punt SBG spectra van gedestilleerd water en lipide-emulsie weefsel phantom monsters (met 2,25 verstrooiing gebeurtenissen en een demping coëfficiënt van 45 cm-1) binnen 10 ms en 100 ms, respectievelijk gemeten. Ter vergelijking: we gemeten de SBG spectra in 10 s zoals in de Figuren 2a en 3a. In deze metingen, de rubidium-85 damp-cel werd verwarmd tot 90 ° C voor verdwaalde pomp reflecties door ~ 104 verzachtende en het doorgeven van > 95% van de sonde licht; niveaus die een h11stabiel voor werden gehandhaafd. Ook de ruimtelijke resolutie, die hier zijn gedefinieerd als de laterale volle breedte bij half-maximum van SBS intensiteit van de focus, gevonden werd geschat op ongeveer 8 µm10. Het gemiddelde dat Brillouin verschuivingen verkregen van de snel verworven spectra in water en weefsel phantoms waren 5.08 GHz en 5.11 GHz, respectievelijk. Deze Brillouin shift schattingen zijn vergelijkbaar met die berekend op basis van spectra opgenomen in 10 s en naar eerder gepubliceerde Brillouin gegevens van waterige monsters9,10,11. De openingen in de cijfers tonen histogrammen van de Brillouin shift ramingen ontvangen van 200 aansluitende opeenvolgende meetresultaten van SBG spectra. De precisie van de verkregen Brillouin verschuiving werd geëvalueerd in termen van de standaarddeviatie van een Gaussiaanse distributie aanpassen aan de waargenomen Brillouin verschuiving-verdeling. Standaardafwijking van 8,5 MHz en 33 MHz werden verkregen in de water- en weefsel phantom monsters, vertegenwoordigen een precisie van de hoge meting voor het opsporen van subtiele veranderingen in de materiële mechanica. Hoewel het energieniveau van de pomp gebruikt hier was hoog (~ 250-270 mW), Verwarming als gevolg van de absorptie van water op 780 nm werd geschat op < 0.53 K, en dus kan worden verwaarloosd in de waterige voorbeelden in dit werk10gebruikt. Bovendien geen korte termijn instabiliteit van de SBG spectra van de water en lipide-emulsie monsters werd waargenomen tijdens 120 s van continue blootstelling van de monsters aan deze machtsniveaus.

Figure 2
Figuur 2: gestimuleerd Brillouin krijgen (SBG) Spectra van Water. Vertegenwoordiger SBG spectra van water verworven in (een) 10 s en (b) 10 ms. Dots en ononderbroken lijnen staan voor meetwaarden en Lorentz past, respectievelijk. Inzetstukken Toon bijbehorende histogrammen Brillouin shift raming van water. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 3
Figuur 3: gestimuleerd Brillouin krijgen (SBG) Spectra van weefsel Phantoms. Vertegenwoordiger SBG spectra van lipide-emulsie weefsel phantoms (met 2,25 verstrooiing gebeurtenissen en een demping coëfficiënt van 45 cm-1) verworven in (een) 10 s en (b) 100 ms. Dots en ononderbroken lijnen duiden meetwaarden en Lorentz past, respectievelijk. Inzetstukken Toon bijbehorende histogrammen Brillouin shift raming van het weefsel phantom. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Het systeem, dat is afgebeeld in Figuur 1, werd ontworpen om op een breadboard 18'' x 24'' dat verticaal gemonteerd kan worden op een optische tafel, vergemakkelijking van de plaatsing van waterige monsters worden gebouwd. Dientengevolge, is het belangrijk om sterk Draai alle optische en mechanische elementen en ervoor zorgen dat de pomp en sonde balken collineaire en concentrisch met de verschillende elementen voor het verlichten van het monster in de off-axis meetkunde.

Moeilijkheden bij het observeren van de gestimuleerd Brillouin krijgen signaal kunnen optreden als gevolg van buitensporige verdwaalde pomp reflecties dat masker de zwakke Brillouin winst van waterige monsters (~ 10-6). Om deze mogelijke moeilijkheden te verhelpen, zorgen eerst dat de zaal bevindt zich op de gezamenlijke focuspunt van de sonde en de pomp scherpstellen lenzen (L3 en L4, respectievelijk). Vervolgens sluit iets de iris (I) geplaatst voor de cel rubidium en/of licht de opklapbare spiegel van de lichtbundel van de pomp (M6) verder weg detectie van verdwaalde pomp reflecties te vertalen. Merk op dat deze procedures zal ook daling het Brillouin-signaal, maar een beter uitgangspunt bieden kunnen voor het opsporen van het gestimuleerd Brillouin-gewin signaal in water. Als het signaal nog steeds niet wordt gedetecteerd, gebruik methanol of koolstofdisulfide, die hebben een aanzienlijk sterkere Brillouin krijgen dan water8,10. Als alternatief voor metingen van niet-troebel monsters is het mogelijk gebruik van dikker glas chambers (tienmaal de confocal parameter van L3/l4) die aanzienlijk detectie van verdwaalde pomp reflecties verminderen.

In het protocol beschreven we snelle metingen van gestimuleerd Brillouin-gewin spectra meer dan 2 GHz. Uit te breiden van de metingen over een grotere bandbreedte (bijvoorbeeld in monsters met meerdere Brillouin frequentie verschuivingen gescheiden door > 1 GHz), is het essentieel voor de productie van een ijkcurve van de huidige tegen de uitgebreide frequentie verstemming sonde-modulatie bereik van de pomp en sonde lasers. Idealiter, moet deze curve voor de kleine niet-lineariteit van de laser-frequentie-sweep met modulatie huidige worden gecorrigeerd. Als alternatief, kunnen de regelingen voor snelle monitoring van de pomp-sonde frequentie verstemming ter vervanging van de magnetron frequentie teller (FC) in de spectrometer geïntegreerd te worden.

De frequentieverschuiving Brillouin en linewidth gemeten door de hier voorgestelde setup kunnen worden geconverteerd naar de materiële complexe longitudinale modulus bij GHz frequenties voor een bekende dichtheid en brekingsindex van de monster4. Zoals in spontane Brillouin spectroscopie, kon andere elementen van de tensor materiaal stijfheid (b.v., afschuifmodulus) worden gesondeerd met behulp van SBS spectroscopie door het detecteren van licht verspreid op verschillende engelen en polarisatie Staten uit de pomp licht. Het spectrum Brillouin zou vervolgens vertonen lagere-naar-ruis-signaalverhouding (als gevolg van de kleinere efficiëntie van de kruising van de pomp en sonde balken in de monster10,11,12) en kleinere Brillouin frequentie verschuivingen en linewidths (als gevolg van de verminderde overtocht hoek) dan die verkregen in de bijna backscattering geometrie. Bijgevolg zou het gebruik van langere tijden van de meting en lasers met smallere linewidths nodig zijn.

Voor metingen van Brillouin spectra in niet-troebel monsters biedt onze huidige SBS spectrometer overname keer die vergelijkbaar met die zijn verkregen door VIPA spectrometers4 en die 100-fold sneller dan degenen bereikt door de bestaande Continuous-Wave gestimuleerd Brillouin verstrooiing spectrometers (met soortgelijke Brillouin shift gevoeligheid)9,10,11. Voor Brillouin metingen in troebele media, is ons instrument kunnen verwerven Brillouin spectra van troebel monsters met 2,25 verstrooiing gebeurtenissen in een tijd 100 ms, zo kort 3-voudig sneller dan dat gebruikt door een VIPA spectrometer met een multipass is Fabry-Perot-gebaseerde Rayleigh afwijzing filter in troebele monsters met 0.13 - 1.33 verstrooiing evenementen13. In tegenstelling tot VIPA spectrometers, SBS spectrometers vereist geen gespecialiseerde Rayleigh afwijzing filters, en inherent biedt een uitstekend contrast, zelfs in troebele monsters met een sterke elastische verstrooiing10,11.

De huidige SBS spectrometer heeft de schot geluidsarme limiet nog niet bereikt. Het lawaai van de spectrometer wordt gedomineerd door de intensiteit lawaai in niet-troebel monsters en elektrische ruis in troebele media11. Als een resultaat, de signaal-tot-ruis-verhouding (en dus de Acquisitietijd) van de SBG signaal is beperkt. Om deze beperking ondervangen kan een geluidsarme elektrische versterker voorafgaand aan lock-in detectie worden gebruikt om verdere verlaging van het tijdstip van de verwerving van SBG spectra in verstrooiing materialen zonder de Brillouin shift gevoeligheid11minderen. Bovendien zou het gebruik van laser shot-ruis-beperkte bronnen met hogere afwijzing van verdwaalde pomp licht in een ware backscattering geometrie optimaal de-naar-ruis-signaalverhouding van de spectrometer, waardoor kortere tijden voor het opnemen van SBG spectra met vergroten hoge Brillouin verschuiving gevoeligheid11.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgments

IR is dankbaar voor de Stichting Azrieli voor de 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 kwestie 127 gestimuleerd Brillouin verstrooiing niet-lineaire spectroscopie materiaal analyse fase-gevoelige detectie damp cellen Spectrometers
High-Speed Continuous-wave gestimuleerd Brillouin verstrooiing Spectrometer voor materiaal 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