Espectrómetro de dispersión de Brillouin estimulada onda continua alta velocidad para análisis de materiales
Summary
Describimos la construcción de un espectrómetro de (CW-SBS) rápido continuo-agite-estimulado–dispersión de Brillouin. El espectrómetro emplea láseres de diodo de frecuencia única y un vapor atómico-filtro para adquirir espectros de transmisión de muestras turbias/no-turbio con resolución espectral alta en velocidades de hasta 100-fold más rápido que los de los espectrómetros de CW-SBS. Esta mejora permite alta velocidad análisis material de Brillouin.
Abstract
Últimos años ha habido un aumento significativo en el uso de espectrómetros de Brillouin espontáneas para análisis sin contacto de materia blanda, como soluciones acuosas y biomateriales, con tiempos de rápida adquisición. Aquí, discutimos el montaje y operación de un espectrómetro de Brillouin que utiliza estimulados dispersión de Brillouin (SBS) para medir espectros de ganancia (SBG) Brillouin estimulados de agua y lípidos emulsión tejido-como muestras en el modo de transmisión con < 10 MHz resolución espectral y < 35 MHz Brillouin cambio medida precisión < 100 ms. el espectrómetro consiste en dos casi en propagar láseres linewidth estrecho de onda continua (CW) a 780 nm cuya frecuencia desintonización es analizado a través de la cambio material de Brillouin. Mediante el uso de un filtro de muesca estrecha ultra caliente vapor de rubidio 85 y un detector sensible a la fase, la-a-relación señal ruido de la señal SBG es mejorada significativamente en comparación a la obtenida con los espectrómetros de CW-SBS. Esta mejora permite la medición de espectros SBG con adquisición más rápido hasta 100-fold veces, facilitando así el análisis de Brillouin resolución espectral y de alta precisión alta de materiales blandos a alta velocidad.
Introduction
Espectroscopía Brillouin espontánea se ha establecido, en los últimos años, como un enfoque valioso para el análisis mecánico de los materiales blandos, tales como líquidos, verdadero tejido, tejido fantasmas y biológico de las células1,2, 3,4,5,6,7. En este enfoque, un láser ilumina la muestra y la luz que se dispersa inelásticamente de ondas acústicas térmicas espontáneas en el medio se recoge por un espectrómetro, proporcionando información útil sobre las propiedades viscoelásticas de la muestra. El espectro de Brillouin espontáneo incluye dos picos de Brillouin en la acústica Stokes y anti-Stokes resonancias del material y un pico de Rayleigh en la frecuencia de láser ilumina (debido a la luz dispersada elásticamente). Para una geometría de retrodispersión de Brillouin, las frecuencias de Brillouin se cambian de puesto por varios gigahertz de la frecuencia de láser ilumina y tienen una anchura espectral de cientos de MHz.
Mientras que análisis espectrómetros de Fabry-Perot han sido la sistemas de elección para la adquisición de espectros de Brillouin espontáneos de materia blanda1,2, recientes avances tecnológicos en imagen prácticamente matriz de fase (VIPA) Espectrómetros han permitido mucho más rápidas mediciones (segundo) Brillouin con adecuada-resolución espectral (sub-GHz)3,4,5,6,7. En este protocolo, se presenta la construcción de una diferente, alta velocidad y alta resolución espectral, precisa Brillouin espectrómetro basado en la detección de la luz (CW-SBS) continuo-agite-estimulado–dispersión de Brillouin no turbias y turbias muestras en una geometría casi posterior dispersión.
En espectroscopia CW-SBS, onda continua (CW) bomba y sonda de láser, ligeramente desintonizado en frecuencia, se superponen en una muestra para estimular las ondas acústicas. Cuando la diferencia de frecuencia entre las vigas de la bomba y sonda coincide con una resonancia acústica específica del material, amplificación o deamplification de la señal de la sonda es proporcionado por pérdida o ganancia de Brillouin estimulado procesos (SBG/SBL), respectivamente; de lo contrario, no hay amplificación de SBS (de) produce8,9,10,11. Así, un espectro de SBG (SBL) puede ser adquirido por la diferencia de frecuencia entre el láser a través de las resonancias de Brillouin material de exploración y detectar el aumento (disminución) o ganancia (pérdida), en la intensidad de la sonda debido a la SBS. A diferencia de en la espontánea dispersión de Brillouin, Fondo de dispersión elástica existe inherentemente en SBS, que permite el excelente contraste de Brillouin en muestras turbias y no turbios sin necesidad de filtros de rechazo de Rayleigh como requerido en VIPA Espectrómetros de11,de10,13.
Los bloques de edificio principales de un espectrómetro de CW-SBS son la bomba y sonda de láser y el detector de pérdidas y ganancias estimulado de Brillouin. Para espectroscopía de alta resolución espectral, alta velocidad CW-SBS, los láseres deben ser frecuencia única (< grosor de línea de 10 MHz) con afinabilidad de longitud de onda suficientemente amplia (20-30 GHz) y velocidad de barrido (> 200 GHz/s), estabilidad a largo plazo de la frecuencia (< 50 MHz/h) y el ruido de baja intensidad. Además, linealmente polarizado y limitada por difracción laser vigas con poderes de algunos centenares (decenas) de mW en la muestra son necesarios para que la viga de la bomba (sonda). Por último, el detector de pérdidas y ganancias de Brillouin estimulado debe ser diseñado para detectar confiablemente débil atrás estimulado Brillouin pérdidas (SBG/SBL) niveles (10-5 – 10-6) en materia blanda. Para satisfacer estas necesidades, se seleccionaron los lasers del diodo retroalimentación distribuida (DFB) juntados al mantenimiento de polarización fibras junto con un detector de pérdidas y ganancias de Brillouin estimulado combinando un ultra-banda estrecha atómica vapor filtro de muesca y de una alta frecuencia modulación de sola cerradura-en el amplificador como se ilustra en la figura 1. Este esquema de detección duplica la intensidad de la señal SBG mientras reduce significativamente el ruido en la intensidad de la sonda, donde la señal deseada de SBG es encajado11. Tenga en cuenta que el papel del vapor atómico-filtro utilizado en nuestro espectrómetro de SBS es reducir significativamente la detección de reflexiones bomba callejeros no deseados en lugar de disminuir el fondo de la difusión elástica como en Espectrómetros VIPA que detectan tanto luz dispersaron Rayleigh y Brillouin espontánea. Utilizando el protocolo que se detalla a continuación, se puede construir un espectrómetro CW-SBS con la capacidad de adquirir espectros de transmisión de agua y tejido fantasmas con niveles SBG tan bajos como 10-6 en < precisión de la medida de 35 MHz Brillouin-cambio y dentro de 100 ms o menos.
Figura 1: onda continua estimulada de Brillouin Scattering (CW-SBS) espectrómetro. Dos continuo-agite la bomba y sonda de láseres de diodo (DL), frecuencia desintonizado por el cambio de Brillouin de la muestra, se juntan en fibras monomodo-mantenimiento de la polarización con colimadores C1 y C2, respectivamente. Diferencia de la frecuencia de la sonda de la bomba se mide mediante la detección de la frecuencia de golpe entre vigas peladas de la bomba y sonda de láser utilizando un conjunto de separadores de fibra (FS), un fotodetector rápido (FPD) y un contador de frecuencia (FC). El haz de la sonda S-polarizado (rojo claro), ampliado con un Keplerian está circularmente polarizada por una placa de cuarto de onda (λ14) expansor de haz (L1 y L2) y centrado en la muestra (S) por una lente acromática (L3). Para la eficaz interacción de SBS y aislamiento óptico, la viga de la bomba (rojo intenso), ampliada con un expansor de haz de Keplerian (L5 y L6), es primero usando una placa de media onda λ24 P-polarizado), transmitida a través de un polarizador Beam splitter (PBS) y es finalmente izquierda circularmente polarizada por una placa de cuarto de onda (λ24) y se centró en la muestra con una lente acromática (L4; igual L3). Tenga en cuenta que las vigas de la bomba y sonda casi en propagan en la muestra y que un polarizador orientado a S (P) fue utilizado para evitar que la viga de la bomba P-polarizado (saliendo de λ14) en la sonda de láser. Para la detección de bloqueo de la viga de la bomba es modulada sinusoidal fm con un modulador acusto-óptico (ADM). La señal SBG, se manifiesta como variaciones de intensidad en la frecuencia fm (ver recuadro), es desmodulada conun bloqueo en el amplificador (LIA) tras detección de un fotodiodo de gran superficie (PD). Para significativa eliminación de reflejos de la bomba perdida en el fotodiodo, una banda estrecha filtro de Bragg (BF) y un filtro de muesca atómica (85RB) alrededor de la longitud de onda de la bomba se utilizan junto con un bloqueo de luz iris (I). Datos se registran por una tarjeta de adquisición de datos (DAQ) conectada a un ordenador personal (PC) para su posterior análisis del espectro de Brillouin. Todos los espejos plegables (M1– M6) se utilizan para caber el espectrómetro en un protoboard ” x 24” 18 que se monta verticalmente sobre la mesa óptica para facilitar la colocación de las muestras acuosas. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Protocol
Representative Results
Discussion
El sistema, que se muestra en la figura 1, fue diseñado para ser construido en un tablero de 18” x 24” que se puede montar verticalmente en una tabla óptica, facilitar la colocación de las muestras acuosas. Como resultado, es importante fuertemente Apriete todos los elementos ópticos y mecánicos y asegurar que las vigas de la bomba y sonda son colineales y concéntricas con los distintos elementos antes de iluminar la muestra en eje geometría.
Pueden surgir dificultade…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
IR agradece a la Fundación de Azrieli para la concesión de becas de doctorado.
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
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