High Speed Sous-GHz spectromètre pour Brillouin Scattering Analyse
Summary
Nous présentons ici un protocole pour construire un spectromètre de Brillouin rapide. Cascade réseau de phase virtuellement représenté (VIPA) étalons atteindre une vitesse de mesure plus de 1000 fois plus rapide que le balayage traditionnel spectromètres de Fabry-Perot. Cette amélioration fournit les moyens d'analyse de Brillouin de tissu et des biomatériaux à de faibles niveaux de puissance in vivo.
Abstract
L'objectif de ce protocole est de construire un haut-extinction parallèle et haute résolution Brillouin optique spectromètre. Spectroscopie de Brillouin est une méthode de mesure sans contact qui peut être utilisée pour obtenir des lectures directes des propriétés des matériaux visco-élastique. Il a été un outil utile dans la caractérisation des matériaux, la surveillance et la détection de l'environnement structurel. Dans le passé, la spectroscopie de Brillouin est habituellement utilisé balayage étalons de Fabry-Pérot pour effectuer une analyse spectrale. Ce processus nécessite une puissance d'éclairage élevée et temps d'acquisition longues, ce qui rend la technique inadaptée pour des applications biomédicales. Un roman spectromètre récemment introduit surmonte ce défi en utilisant deux VIPAs dans une configuration axe transversal. Cette innovation permet (GHz) analyse spectrale de résolution de sous-Gigahertz avec un temps d'acquisition inférieur à la seconde et de la puissance d'éclairage dans les limites des tissus biologiques de sécurité. Les nouvelles de multiples applications facilitées par cette amélioration sont currently explorée dans la recherche biologique et l'application clinique.
Introduction
Diffusion Brillouin, d'abord décrit par Léon Brillouin 1 en 1922, est la diffusion inélastique de la lumière à partir des modes acoustiques thermiques dans un solide et des fluctuations de densité thermique dans un liquide ou un gaz. Le décalage spectral de la lumière diffusée, généralement dans la sous-gamme GHz, fournit des informations sur l'interaction entre la lumière incidente et les phonons acoustiques dans l'échantillon. En conséquence, il peut fournir des informations utiles en ce qui concerne les propriétés viscoélastiques du matériau examiné.
Dans sa version spontané, la diffusion Brillouin a généralement des sections transversales de l'ordre de la diffusion Raman, résultant en un signal très faible. En outre, les changements de fréquence de Brillouin sont des ordres de grandeur plus faible que les changements Raman. En conséquence, élastique lumière diffusée (de Rayleigh ou la diffusion de Mie), la lumière parasite et de back-off réflexions de l'échantillon peuvent tous facilement éclipser la signature spectrale Brillouin. Par conséquent, Un spectromètre de Brillouin a besoin non seulement d'obtenir des sous-GHz résolution spectrale mais aussi contraste spectral haute ou l'extinction.
Dans spectromètres de Brillouin traditionnels, ces exigences sont remplies par monochromateurs de balayage-réseau, les méthodes de battage optiques, et, plus couramment, interféromètres numérisation multiple-pass Fabry-Perot 2. Ces méthodes mesurent chaque composante spectrale séquentiellement. Cette approche conduit à des temps d'acquisition pour un unique spectre de Brillouin allant de quelques minutes à plusieurs heures, en fonction de l'instrument et sur l'échantillon. Le VIPA spectromètre à deux étages, construit en utilisant ce protocole, a la capacité de rassembler tous les composants spectraux en moins d'une seconde, tout en offrant l'extinction suffisante (> 60 dB) pour supprimer efficacement les autres signaux parasites 2.
L'intégration des étalons VIPA est l'élément clé de ce spectromètre. Un VIPA est un étalon solide avec trois c différentezones flottantes: dans la surface avant, une bande de revêtement anti-reflet étroite permet à la lumière d'entrer dans le VIPA, tandis que le reste de la surface dispose d'un (HR) revêtement hautement réfléchissant; dans la surface arrière, un revêtement partiellement réfléchissant permet à une petite partie (environ 5%) de la lumière à transmettre. Lorsque focalisé sur l'entrée étroite de la VIPA légèrement incliné, le faisceau de lumière se réfléchit en sous-composants avec différence de phase fixe dans le VIPA 2. Les interférences entre les sous-composantes réalise la dispersion spectrale élevée aspiré. Aligner deux VIPAs séquentiellement en configuration axe transversal introduit dispersion spectrale dans des directions orthogonales 3. La dispersion spectrale dans des directions orthogonales dans l'espace séparant les pics de Brillouin de la diaphonie indésirable, ce qui rend possible de récupérer uniquement le signal de Brillouin. La figure 1 présente un schéma de la VIPA spectromètre à deux étages. Les flèches ci-dessous les éléments optiques indiquent les degree de liberté dans lequel doivent être orientés les stades traductionnelles.
Figure 1. configuration instrumentale. Une fibre optique offre la diffusion Brillouin dans le spectromètre. Une lentille cylindrique C1 (f = 200 mm) focalise la lumière dans l'entrée de la première VIPA (VIPA1). Une autre lentille cylindrique C2 (f = 200 mm) mappe la dispersion angulaire spectrale en une séparation spatiale dans le plan focal de C2. Dans ce plan, un masque vertical est utilisé pour sélectionner la partie souhaitée du spectre. Une configuration analogue suit, incliné à 90 degrés. Le faisceau passe à travers une lentille sphérique S1 (f = 200 mm) et se concentre dans la fente d'entrée de la deuxième VIPA (VIPA2). Une lentille sphérique S2 (f = 200 mm) crée le motif bidimensionnel spectralement séparée dans son plan focal, où un autre masque horizontal est placé. L'hormasque izontal est imagé sur la caméra EMCCD utilisant une paire de lentilles achromatiques. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Un étudiant de premier cycle avec quelques cours de l'optique et de l'expérience de base d'alignement devrait être en mesure de construire et d'utiliser ce spectromètre à deux étages. Le spectromètre a été récemment montré pour être compatible avec une grande variété de sondes optiques standard 3,4,5 (par exemple, un microscope confocal, endoscope, la lampe à fente ophtalmoscope). Ici, le spectromètre est connecté à un microscope confocal. La lumière laser est aligné dans un système de recherche inversée microscope standard après avoir intégré un diviseur de faisceau 90:10. La lumière de rétrodiffusion à partir de l'échantillon est couplé dans une fibre monomode, rendant le microscope confocal.
Protocol
Representative Results
Discussion
Une des principales caractéristiques de la conception de cette configuration de spectromètre est que les deux étapes peuvent être alignés de façon indépendante. Quand un étalon VIPA est glissé hors du trajet optique, les lentilles restantes de la phase de spectromètre forment un mélange 1: 1 d'imagerie, de sorte que le motif spectral de chaque étage est imagée sur la caméra CCD. Par conséquent, il est facile de revenir à l'une des étapes pour améliorer ses performances sans affecter l'align…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported in part by the National Institutes of Health (P41-EB015903, R21EY023043, K25EB015885), National Science of Foundation (CBET-0853773) and Human Frontier Science Program (Young Investigator Grant).
Materials
| OPTICS: | |||
| VIPA (virtual image phase array) | LIGH MACHINERY | Quantity: 2 | |
| Bundle of Three 423 Linear Stages with SM-25 Micrometers | NEWPORT | 423-MIC | Quantity: 1 |
| SS Crossed-Roller Bearing Translation Stage, 0.5 in., 8-32, 1/4-20 | NEWPORT | 9066-X | Quantity: 1 |
| Vernier Micrometer, 13 mm Travel, 9 lb Load Capacity, 50.8 TPI | NEWPORT | SM-13 | Quantity: 1 |
| Adjustable Width Slit | NEWPORT | SV-0.5 | Quantity: 2 |
| Compact Dovetail Linear Stage, 0.20 in. Z Travel, 1.57×1.57×1.38 in. | NEWPORT | DS40-Z | Quantity: 2 |
| Slotted Base Plate, 25 or 40mm to 65mm Stage, 1.1 in. Range | NEWPORT | B-2B | Quantity: 2 |
| Ø1/2" Optical Post, 8-32 Setscrew, 1/4"-20 Tap, L = 2", 5 Pack | THORLABS | TR2-P5 | Quantity: 2 |
| Ø1/2" Post Holders, Spring-Loaded Hex-Locking Thumbscrews, L = 2", 5 Pack | THORLABS | PH2-P5 | Quantity: 1 |
| Ø1/2" Post Holders, Spring-Loaded Hex-Locking Thumbscrew, L = 3", 5 Pack | THORLABS | PH3-P5 | Quantity: 1 |
| Imperial Lens Mount For 2" Optics, 8-32 Tap | THORLABS | LMR2 | Quantity: 2 |
| f=200.0 mm, Ø2" Achromatic Doublet, ARC: 400-700 nm | THORLABS | AC254-200-A | Quantity: 2 |
| Kinematic Mount for up to 1.3" (33 mm) Tall Rectangular Optics, Right Handed | THORLABS | KM100C | Quantity: 2 |
| Fixed Cylindrical Lens Mount, Max Optic Height: 1.60" (40.6 mm) | THORLABS | CH1A | Quantity: 2 |
| f = 200.00 mm, H = 30.00 mm, L = 32.0 mm, N-BK7 Plano-Convex Cylindrical Lens, Antireflection Coating: 350-700 nm | THORLABS | L1653L1-A | Quantity: 2 |
| Right-Angle Post Clamp, Fixed 90° Adapter | THORLABS | RA90 | Quantity: 1 |
| Adapter with External C-Mount Threads and Internal SM1 Threads | THORLABS | SM1A9 | Quantity: 1 |
| Studded Pedestal Base Adapter, 1/4"-20 Thread | THORLABS | PB4 | Quantity: 2 |
| Spacer, 2" x 3", 1.000" Thick | THORLABS | Ba2S7 | Quantity: 2 |
| 543 nm, f=15.01 mm, NA=0.17 FC/APC Fiber Collimation Pkg. | THORLABS | F260APC-A | Quantity: 1 |
| SM1-Threaded Adapter for Ø11 mm collimators | THORLABS | Ad11F | Quantity: 1 |
| Translating Lens Mount for Ø1" Optics, 1 Retaining Ring Included | THORLABS | LM1XY | Quantity: 1 |
| Single Mode Patch Cable, 450 – 600 nm, FC/APC, 2 m Long | THORLABS | P3-460B-FC-2 | Quantity: 1 |
| 1:1 Matched Achr. Pair, f1=30 mm, f2=30 mm, BBAR 400-700 nm | THORLABS | MAP103030-A | Quantity: 1 |
| SM1 Lens Tube…length to adjust depend on CCD, we have 3.5 inches | THORLABS | SM1LXX | Quantity: 1 |
| Base Adapters for Ø1/2" Post Holders and Ø1" Posts | THORLABS | BE1 | Quantity: 8 |
| Clamping Forks for Ø1/2" Post Holders and Ø1" Posts | THORLABS | CF125 | Quantity: 8 |
| HW-KIT5 – 4-40 Cap Screw and Hardware Kit for Mini-Series | THORLABS | HW-KIT5 | Quantity: 1 |
| D20S – Standard Iris, Ø20.0 mm Max Aperture | THORLABS | D20S | Quantity: 2 |
| FOR ENCLOSURE | |||
| 25 mm Construction Rail, L = 21" | THORLABS | XE25L21 | Quantity: 6 |
| 1" Construction Cube with Three 1/4" (M6) Counterbored Holes | THORLABS | RM1G | Quantity: 8 |
| Right-Angle Bracket for 25 mm Rails | THORLABS | XE25A90 | Quantity: 12 |
| 25 mm Construction Rail, L = 15" | THORLABS | XE25L15 | Quantity: 4 |
| 25 mm Construction Rail, L = 9" | THORLABS | XE25L09 | Quantity: 8 |
| High Performance Black Masking Tape, 2" x 60 yds. (50 mm x 55 m) Roll | THORLABS | T743-2.0 | Quantity: 1 |
| Low-Profile T-Nut, 1/4"-20 Tapped Hole, Qty: 10 | THORLABS | XE25T3 | Quantity: 1 |
| 1/4"-20 Low-Profile Channel Screws (100 Screws/Box) | THORLABS | SH25LP38 | Quantity: 1 |
| 60" (W) x 3 yds. (L) x 0.005" (T) (1.5 m x 2.7 m x 0.12 mm) Blackout Fabric | THORLABS | BK5 | Quantity: 1 |
| CAMERA, LASER and MICROSCOPE | |||
| EMCCD camera | ANDOR | iXon Ultra 897 | Quantity: 1 |
| 400 mW single mode green laser | LASER QUANTUM | torus 532 | Quantity: 1 |
| Research Inverted System Microscope | OLYMPUS | IX71 | Quantity: 1 |
References
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