Höghastighets Continuous-wave stimuleras Brillouin spridning spektrometer för materialanalys
Summary
Vi beskriver byggandet av en snabb continuous-wave-stimuleras-Brillouin-spridning (CW-SBS) spektrometer. Spektrometern sysselsätter singel-frekvens-Diodlasrar och en atomär ånga notch-filter att förvärva överföring spektra av grumligt/icke-grumliga prover med hög spektral-upplösning vid hastigheter upp till 100-fold snabbare än befintliga CW-SBS spektrometrar. Denna förbättring kan höghastighetståg Brillouin materialanalys.
Abstract
Senaste åren har bevittnat en betydande ökning av användningen av spontana Brillouin spektrometrar för beröringsfri analys av mjuka material, såsom vattenlösningar och biomaterial, med gånger snabbt förvärv. Här diskuterar vi montering och drift av en Brillouin spektrometer som använder stimuleras Brillouin spridning (SBS) för att mäta stimuleras Brillouin vinst (SBG) spektra av vatten och lipider emulsionsbaserade vävnad-liknande prov i överföringsläge med < 10 MHz spektral upplösning och < 35 MHz Brillouin-shift mätprecision på < 100 ms. spektrometern består av två nästan kontra förökningsmaterial continuous-wave (CW) smala-linewidth lasrar på 780 nm vars frekvens omstämning söks genom den material Brillouin SKIFT. Med hjälp av en ultra-smalband heta rubidium-85 vapor notch-filter och en fas-känslig detektor, signal-till-brus-förhållandet av SBG signalen förstärks avsevärt jämfört som erhölls med befintliga CW-SBS spektrometrar. Denna förbättring kan mätning av SBG spectra med upp till 100 gånger snabbare förvärv tider, vilket underlättar hög spektral upplösning och hög precision Brillouin analys av mjuka material med hög hastighet.
Introduction
Spontan Brillouin spektroskopi har upprättats under de senaste åren som ett värdefullt tillvägagångssätt för mekanisk analys av mjuka material, såsom vätskor, riktiga vävnad, vävnad fantomer och biologiska celler1,2, 3,4,5,6,7. I detta synsätt, en enda laser lyser upp provet och ljus som är inelastically spridda från spontana termisk Akustiskt vinkar på medellång samlas in av en spektrometer, att ge användbar information på de viskoelastiska egenskaperna av provet. Det spontana Brillouin spektrumet omfattar två Brillouin toppar vid akustiska Stokes och anti Stokes resonanser av materialet och en Rayleigh topp den lysande laser frekvens (på grund av elastiskt spritt ljus). För en Brillouin backscattering geometri, Brillouin frekvenserna skiftas av flera GHz från lysande laser frekvensen och ha spektral bredd av hundratals MHz.
Medan skanning Fabry-Perot spektrometrar har varit den system-av-val för att förvärva spontana Brillouin spectra i mjuk materia1,2, avbildas senaste tekniska framsteg i stort sett fas array (VIPA) spektrometrar har aktiverat betydligt snabbare (sub sekund) Brillouin mätningar med adekvat spektral upplösning (sub-GHz)3,4,5,6,7. I detta protokoll presenterar vi byggandet av en olika, hög hastighet, hög spektral upplösning, korrekt Brillouin spektrometer baserat på detektion av continuous-wave-stimuleras-Brillouin-spridning (CW-SBS) ljus från icke-grumlig och grumlig prover i en nästan tillbaka scattering geometri.
I CW-SBS spektroskopi överlappar continuous-wave (CW) pumpen och sonden lasrar, något detuneds i frekvens, i ett prov att stimulera Akustiskt vinkar. När frekvens skillnaden mellan pumpen och sonden balkar matchar en specifik akustisk resonans av materialet, ges förstärkning eller deamplification av sonden signalen av stimuleras Brillouin vinst eller förlust (SBG/SBL) processer, respektive; annars uppstår ingen amplifiering i SBS (de)8,9,10,11. Således en SBG (SBL) spektrum kan förvärvas genom att skanna frekvens skillnaden mellan lasrar över materiella Brillouin resonanser och upptäcka ökningen (minskning), eller vinst (förlust), sond intensiteten på grund av SBS. Till skillnad från i spontana Brillouin spridning, elastisk spridning bakgrunden är till sin natur frånvarande i SBS, möjliggör utmärkt Brillouin kontrast i både grumligt och icke-grumliga prover utan behov av Rayleigh avvisande filter som krävs i VIPA spektrometrar10,11,13.
De viktigaste byggstenarna i en CW-SBS spektrometer är pumpen och sonden lasrar och stimulerad Brillouin vinst/förlust detektorn. För hög spektral upplösning, hög hastighet CW-SBS spektroskopi, lasrar behöver vara singel-frekvens (< 10 MHz linewidth) med tillräckligt bred våglängd tunability (20-30 GHz) och scanningen klassar (> 200 GHz/s), långsiktig frekvensstabilitet (< 50 MHz/h) och lågintensivt buller. Dessutom linjärt polariserad och diffraktion begränsad laser balkar med befogenheter av några hundra (TEN) MW på prov krävs för pumpen (probe) strålen. Slutligen, stimuleras Brillouin vinst/förlust detektorn bör utformas för att tillförlitligt upptäcka svaga bakåt stimuleras Brillouin vinst/förlust (SBG/SBL) nivåer (10-5 – 10-6) i mjuka material. För att möta dessa behov, vi valt distribuerade feedback (DFB) Diodlasrar kopplat till polarisering-underhålla fibrer tillsammans med en stimulerad Brillouin vinst/förlust detektorn kombinerar en ultra-smalband atomär ånga notch-filter och en högfrekvent singel-modulering inlåsning förstärkare som illustreras i figur 1. Detta detection system fördubblar intensiteten av SBG signalen samtidigt avsevärt minska buller i sonden intensitet, där önskad SBG signalen är inbäddade11. Observera att det atomära vapor notch-filter som används i vår SBS spektrometer roll är att avsevärt minska detektion av oönskade herrelösa pump reflektioner snarare än att minska elastisk spridning bakgrunden liksom VIPA spektrometrar som upptäcker både spontan Rayleigh och Brillouin spridda ljus. Med hjälp av protokollet som beskrivs nedan, en CW-SBS spektrometer kan konstrueras med möjlighet att förvärva överföring spektra av vatten och vävnad fantomer med SBG nivåer så låga som 10-6 på < 35 MHz Brillouin-shift mätprecision och inom 100 ms eller mindre.
Figur 1: Continuous-wave stimuleras Brillouin spridning (CW-SBS) spektrometer. Två continuous-wave pumpen och sonden Diodlasrar (DL), frekvens detuneds runt Brillouin förskjutningen av provet är kopplat till polarisering-underhålla Singlemode fibrer med kollimatorer C1 och C2, respektive. Pump-probe frekvens skillnaden mäts genom att upptäcka beat frekvensen mellan balkar skalade från pumpen och sonden lasrar med en uppsättning fiber splitters (FS), en snabb fotodetektor (FPD) och en frekvens räknare (FC). S-polariserade sonden balken (ljusröda), utökad med en Keplerian balk expander (L1 och L2), är rätt cirkulärt polariserad med en kvarts våg tallrik (λ1/4) och fokuserade på prov (S) av en akromatisk lins (L3). För effektiv SBS interaktion och optisk isolering, pump balken (djupa röda), utökad med en Keplerian balk expander (L5 och L6), är första P-polariserade med halv-wave plattan λ2/4), sedan överförs via en polariserande Beam splitter (PBS), slutligen vänster cirkulärt polariserad med en kvarts våg tallrik (λ2/4) och är fokuserade på prov med en akromatisk lins (L4, samma som L3). Observera att pumpen och sonden balkar nästan kontra propagera i urvalet och att en S-orienterade polarisator (P) användes för att förhindra att P-polariserade pump balken (kommer ur λ1/4) kommer in sonden laser. För inlåsning detektering moduleras sinusformigt pump balken på fm med en acousto-optisk modulator (AOM). SBG signalen, manifesterad som intensitet variationer på frekvens fm (se infälld), är transportströmmen meden inlåsning förstärkare (LIA) efter upptäckten av en stora ytor fotodiod (PD). För betydande eliminering av herrelösa pump reflektioner i fotodioden används en smalband Bragg filter (BF) och en atom notch filter (85RB) runt pumpen våglängden tillsammans med med en ljus-blockerande iris (I). Data registreras av ett förvärv datakort (DAQ) ansluten till en persondator (PC) för ytterligare analys av Brillouin spektrumet. Alla fällbara speglar (M1– M6) används för att passa spektrometern på ett 18” × 24” bakbord som är vertikalt monterad på optiska bordet för att underlätta placering av vattnig prover. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Protocol
Representative Results
Discussion
Det system, som visas i figur 1, var avsedd att byggas på en breadboard på 18” x 24” som kan monteras vertikalt på en optisk bord, underlätta placeringen av vattnig prover. Därför är det viktigt att starkt skärpa alla optiska och mekaniska element och säkerställa att pumpen och sonden balkar är collinear och koncentrisk med de olika delarna innan lysande provet i off-axeln geometri.
Svårigheter i att observera den stimuleras Brillouin få signal kan uppstå på g…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
IR är tacksam till Azrieli Stiftelsen för PhD stipendium utmärkelsen.
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).
