Высокоскоростной непрерывном стимулировали Бриллюэна рассеяния спектрометр для анализа материалов
Summary
Мы описываем строительство быстрый спектрометр (CW-ГПС) continuous-wave-стимулировали Бриллюэна рассеяния. Спектрометр занято одночастотные лазеры диода и атомной пара паз фильтр для приобретения передач спектры мутная/не мутная образцов с высоким спектральным разрешением на скоростях до 100 раз быстрее, чем те из существующих CW-SBS спектрометров. Это улучшение позволяет высокоскоростной Бриллюэна анализ материала.
Abstract
Последние годы наблюдается значительное увеличение использования спонтанное Бриллюэна спектрометров для анализа бесконтактный мягкой материи, например водные растворы и биоматериалов, с быстрого приобретения раз. Здесь мы обсуждаем Ассамблея и эксплуатации Бриллюэна спектрометра, который использует стимулировали Бриллюэна рассеяния (ГПС) для измерения стимулировали Бриллюэна прибыль (SBG) спектры образцов воды и липидов эмульсия на основе ткани как в режиме передачи с < 10 МГц Cпектральное разрешение и < 35 МГц Бриллюэна сдвиг измерения точности в < 100 г-жа спектрометр состоит из двух почти противодействия пропаганде непрерывном (CW) узкой линией лазеры на 780 нм, чьи частоты расстройки сканируется через материал Бриллюэна сдвиг. С помощью ультра узкополосный горячего пара рубидий-85 узкополосный режекторный фильтр и детектор фазочувствительные, сигнала к–шум сигнала SBG значительно улучшено по сравнению с полученные с существующими CW-SBS спектрометров. Это улучшение позволяет Измерение спектров SBG с до 100-кратного быстрее приобретение раз, способствуя тем самым высоким спектральным разрешением и высокой точности анализа Бриллюэна мягких материалов на высокой скорости.
Introduction
Спонтанное Бриллюэна спектроскопии был создан, в последние годы, как ценный подход для механического анализа мягких материалов, таких как жидкости, реальные ткани, ткани фантомы и биологические клетки1,2, 3,4,5,6,7. В этом подходе один лазерный освещает образца и свет, inelastically, разбросанных от спонтанной тепловых акустических волн в среде собранные спектрометр, предоставляя полезную информацию на вязкоупругие свойства образца. Спонтанное Бриллюэна спектра включает в себя две вершины Бриллюэна на акустических Стокса и резонансы Антистоксовый материала и Рэлея, пика освещающей лазерной частоты (из-за упруго рассеянный свет). Для обратного рассеяния геометрии Бриллюэна частоты Бриллюэна сдвигаются на несколько ГГц от освещающей лазерной частоты и имеют Спектральная ширина сотни МГц.
Хотя сканирование Фабри-Перо спектрометры систем оф выбор для получения спонтанного Бриллюэна спектры в мягкой материи1,2, последние технологические достижения в практически отображаемого этапа массив (VIPA) спектрометры позволили значительно быстрее (секунды) Бриллюэна измерений с адекватной спектральных резолюции (суб ГГц)3,4,5,6,7. В этом протоколе мы представляем строительство разные, высокоскоростной, высокое спектральное разрешение, точные Бриллюэна спектрометр основанный на обнаружении continuous-wave-стимулировали Бриллюэна рассеяния света (CW-ГПС) от не мутная и мутная образцы в геометрии почти обратно рассеяния.
В CW-SBS спектроскопии непрерывном (CW) насоса и датчика лазеры, слегка перестроен в частоте, пересекаются в образце для стимулирования Акустические волны. Когда частота разница между насосом и зонд балки соответствует конкретным акустического резонанса материала, усиления или deamplification сигнала зонда обеспечивается стимулировали Бриллюэна прибыль или убыток (SBG/SBL) процессов, соответственно; в противном случае не SBS (de) усиление происходит8,9,10,11. Таким образом спектр SBG (SBL) может приобретаться путем сканирования частоты разница между лазеры через материала Бриллюэна резонансы и обнаружения увеличение (уменьшение), или прибыль (убыток), интенсивности зонд из-за SBS. В отличие от спонтанного Бриллюэна рассеяния, упругого рассеяния фон изначально отсутствуют в SBS, позволяя отличную контрастность Бриллюэна в мутные и не мутная образцах без необходимости Рэлея неприятие фильтры как требуется в VIPA спектрометры10,11,13.
Основные строительные блоки CW-SBS-спектрометр являются насоса и датчика лазеры и стимулировали детектор Бриллюэна прибыли/убытка. Для спектроскопии высокое спектральное разрешение, высокая скорость CW-SBS, нужно быть одночастотные лазеры (< 10 МГц linewidth) с достаточно широкие волны перестройки (20-30 ГГц) и скорость сканирования (> 200 ГГц/s), долгосрочная стабильность частоты (< 50 MHz/h) и низкой интенсивности шума. Кроме того, линейно поляризованных и дифракционный лазерные лучи с державами нескольких сотен (десятки) МВт на образце требуются для пучка насоса (зонд). Наконец стимулировали детектор прибыль/убыток Бриллюэна должна надежно обнаруживать слабые обратной стимулировали Бриллюэна прибыль/убыток (SBG/SBL) уровни (10-5 – 10-6) в мягкой материи. Для удовлетворения этих потребностей, мы выбрали лазеры диода распределенной обратной связи (DFB) в сочетании с поляризацией поддержание волокон вместе с стимулировали детектор Бриллюэна прибыль/убыток, сочетание ультра узкополосный атомной паров узкополосный режекторный фильтр и высокой частоты Одноместный модуляции блокировки в усилитель, как показано на рисунке 1. Эта схема обнаружения удваивает интенсивность сигнала SBG одновременно значительно снижает шум в зонд интенсивности, где полезный сигнал SBG является встроенный11. Обратите внимание, что роль атомной пара паз фильтр, применяемый в нашей SBS спектрометр значительно сократить обнаружение нежелательных бродячих насос размышления вместо того, чтобы уменьшить фон упругого рассеяния как VIPA спектрометры, которые обнаруживают оба Спонтанное Рэлея и Бриллюэн рассеянного света. Используя протокол, подробно описаны ниже, CW-SBS спектрометр могут быть построены с возможностью получения передач спектры воды и ткани фантомы с уровнями SBG как низко как 10-6 на < 35 МГц Бриллюэна сдвиг измерения точности и в пределах 100 мс или менее.
Рисунок 1: непрерывном стимулировали Бриллюэна рассеяния (CW-ГПС) спектрометра. Два непрерывном насоса и датчика лазеры диода (DL), частота, перестроен вокруг Бриллюэна смещение образца, соединены в поляризации поддержание одномодовые волокна с коллиматоры C1 и C2, соответственно. Насос зонд разница частоты измеряется путем обнаружения избили частоты между балками, очищенные от насоса и датчика лазеры с помощью набора волокна сплиттеры (FS), быстро фотоприемника (УЗС) и частотомер (FC). S-поляризованных зонд луча (светло-красный), расширена с помощью кеплеровской расширитель луча (L1 и L-2), правом циркулярно поляризованных четверть волны пластиной (λ1/4) и сосредоточены на образце (S), ахроматические линзы (3Л). Для эффективного взаимодействия SBS и оптические изоляции, насос луч (темно-красный), расширена с помощью расширителя пучка кеплеровской (5 L и L6), сначала P-поляризованные с помощью пластины Полуволновые λ2/4), затем передается через поляризационные пучка сплиттер (PBS) и наконец слева циркулярно поляризованных четверть волны пластиной (λ2/4) и сосредоточена на образце с ахроматический объектив (L4; так же, как3Л). Обратите внимание, что насос и зонд балки почти часовой распространять в образце и что S-ориентированный поляризатора (P) был использован для предотвращения проникновения щупа насоса P-поляризованных пучка (выходит λ1/4) лазерная. Для блокировки в обнаружения насос луч синусоидально модулируется fm с Акусто оптический модулятор (AOM). SBG сигнал, проявляется как вариации интенсивности частоты fм (см. вставку), демодулируется сЗамок в усилитель (LIA) после обнаружения большой площади фотодиод (PD). Для значительных ликвидации бродячих насос отражений в фотодиода узкополосный фильтр Брэгг (BF) и атомной узкополосный фильтр (85РБ) вокруг насоса волны используются наряду с свет блокирование Ирис (I). Данные записываются на карточку сбора данных (DAQ) подключены к персональному компьютеру (ПК) для дальнейшего анализа спектра Бриллюэна. Все складывая зеркала (1M – M6) используются для спектрометра на 18” × 24” макет, который монтируется вертикально на оптический стол для облегчения размещения водянистые образцов. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Protocol
Representative Results
Discussion
Системы, показанный на рисунке 1, был разработан будет построен на макет 18” x 24”, который может быть установлен вертикально на таблицы оптики, облегчение размещения водянистые образцов. В результате важно для сильно затяните все оптические и механические элементы и обеспечить ?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
IR признательна Фонду Azrieli для PhD стипендия.
Materials
| 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-RB85-25×150-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 |
| 24×40 mm cover glass thick:3 # | Menzel Glaser | 150285 | Quantity: 1 |
| Computational software | MathWorks | MATLAB 2015a |
References
- 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).
- 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).
- Scarcelli, G., Yun, S. H. In vivo Brillouin optical microscopy of the human eye. Opt. Exp. 20 (8), 9197-9202 (2012).
- Scarcelli, G., et al. Noncontact three-dimensional mapping of intracellular hydromechanical properties by Brillouin microscopy. Nat. Methods. 12 (12), 1132-1134 (2015).
- 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).
- Antonacci, G., Foreman, M. R., Paterson, C., Török, P. Spectral broadening in Brillouin imaging. Appl. Phys. Lett. 103 (22), 221105 (2013).
- Antonacci, G., et al. Quantification of plaque stiffness by Brillouin microscopy in experimental thin cap fibroatheroma. J. R. Soc. Interface. 12 (112), 20150483 (2015).
- Grubbs, W. T., MacPhail, R. A. High resolution stimulated Brillouin gain spectrometer. Rev. Sci. Instrum. 65 (1), 34-41 (1994).
- 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).
- 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).
- Remer, I., Bilenca, A. High-speed stimulated Brillouin scattering spectroscopy at 780 nm. APL Photonics. 1 (6), 061301 (2016).
- 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).
- 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).
