Yüksek hızda sürekli uyarılan Brillouin saçılma Spektrometre için malzeme analizi
Summary
Biz bir hızlı continuous-wave-teşvik-Brillouin-saçılma (CW-SBS) Spektrometre inşaatı tarif. Spektrometre tek frekanslı diyot lazerler istihdam ve ilâ 100-fold mevcut CW-SBS Spektrometreler olanların daha hızlı bir atomik Buhar çentik-iletim spectra yüksek spektral çözünürlüklü bulanık/sigara-bulanık örneklerinin elde etmek için filtre hızlandırır. Bu geliştirme yüksek hızlı Brillouin malzeme çözümleme sağlar.
Abstract
Son yıllarda önemli bir artış için temassız çözümleme-in yumuşak oldu, sulu çözümler ve Biyomalzeme, hızlı edinme kez gibi kendiliğinden Brillouin Spektrometreler kullanımında tanık olduk. Burada, biz derleme tartışmak ve işletimi kullanan bir Brillouin Spektrometre ile Brillouin saçılma (SBS) uyarılmış Brillouin kazanç (SBG) spectra emülsiyon esaslı doku benzeri örnekleri su ve lipid iletim modunda ölçmek için uyarılmış < 10 MHz Spektral çözünürlüklü ve < 35 MHz Brillouin kaymalı ölçüm hassas, < 100 Bayan Spektrometre oluşur iki neredeyse sürekli (CW) dar-linewidth lazerler, 780 karşı propaganda olan frekans detuning taranmış aracılığıyla nm malzeme Brillouin vardiyası. Sinyal-için-gürültü-oranı SBG sinyal önemli ölçüde geliştirilmiş bir ultra-dar bant sıcak rubidyum-85 buharı çentik filtresi ve bir faz duyarlı Dedektör kullanarak, varolan CW-SBS Spektrometreler ile elde ile karşılaştırıldığında. Bu gelişme SBG spectra kez, böylece yüksek hızda yumuşak malzemelerin yüksek spektral çözünürlüklü ve yüksek hassasiyetli Brillouin analizi kolaylaştırmak için 100-fold daha hızlı Alım ile ölçülmesi sağlar.
Introduction
Spontan Brillouin spektroskopisi kurulmuştur, sıvılar gibi yumuşak malzemelerin mekanik analizi için değerli bir yaklaşım olarak son yıllarda gerçek dokusu, doku hayaletler, biyolojik hücreleri1,2, 3,4,5,6,7. Bu yaklaşım, tek bir lazer örnek aydınlatan ve inelastically gelen spontan termal akustik dalgalar orta dağınık ışık örnek visko elastik özellikleri üzerinde yararlı bilgiler sağlayan bir Spektrometre tarafından toplanır. Spontan Brillouin yelpazenin iki Brillouin doruklarına akustik Stokes ve anti-Stokes rezonanslar malzemenin ve aydınlatıcı lazer frekans (nedeniyle Melosun dağınık ışık) Rayleigh zirvesinde içerir. Bir Brillouin backscattering geometri için Brillouin frekansları tarafından birkaç GHz aydınlatıcı lazer frekans kaydırılır ve yüzlerce MHz spektral genişliğe sahiptir.
Fabry-Perot Spektrometreler tarama sistemleri–spontan Brillouin spectra yumuşak madde1,2kazanılması için seçim olmuştur iken, son teknolojik gelişmeler hemen hemen faz dizi (VIPA) görüntüsü Spektrometreler yeterli spektral çözünürlüklü (alt-GHz)3,4,5,6,7ile önemli ölçüde daha hızlı (alt ikinci) Brillouin ölçümleri etkinleştirdiniz. Bu protokol için biz continuous-wave-teşvik-Brillouin-saçılma (CW-SBS) ışık bulanık olmayan ve bulanık algılama dayalı bir farklı, yüksek hızlı, yüksek spektral çözünürlüklü, doğru Brillouin Spektrometre inşaatı mevcut Neredeyse arka saçılma geometrisi örnekleri.
CW-SBS spektroskopisi biraz frekans detuned sürekli (CW) pompa ve yoklama lazerler, akustik dalgalar uyarmak için bir örnek üst üste geliyor. Frekans farkı pompa ve yoklama kirişler arasında belirli bir akustik rezonans malzemenin eşleştiğinde, amplifikasyon veya deamplification sonda sinyal tarafından uyarılan Brillouin kazancı veya kaybı (SBG/SBL) işlemleri, sırasıyla sağlanır; Aksi halde, hiçbir SBS (de) amplifikasyon8,9,10,11oluşur. Böylece, bir SBG (SBL) spektrum malzeme Brillouin rezonanslar genelinde lazerler frekans farkı tarama ve algılama artış (azalış) elde edilebilir veya sonda yoğunluğu nedeniyle SBS (kaybı), kazanç. Aksine spontan Brillouin saçılma, elastik saçılma arka plan gereği yoktur, SBS, bulanık ve bulanık olmayan örnekleri Rayleigh ret filtreler için herhangi bir ihtiyaç olarak gereken VIPA olmadan mükemmel Brillouin kontrast etkinleştirme Spektrometreler10,11,13.
CW-SBS Spektrometre ana bina bloklarını pompa ve yoklama lazerler ve uyarılmış Brillouin kazanç/kayıp dedektörü vardır. Yüksek spektral çözünürlüklü, yüksek hızlı CW-SBS spektroskopisi için lazerler tek frekanslı gerekir (< 10 MHz linewidth) yeterince geniş dalga boyu ayar (20-30 GHz) ve tarama hızı ile (> 200 GHz/s), uzun vadeli frekans istikrar (< 50 MHz/h) ve düşük yoğunluklu gürültü. Ayrıca, birkaç yüz güçlerle doğrusal polarize ve kırınım-limited lazer ışınları (on) mW örneği, pompa (soruşturma) ışın için gereklidir. Son olarak, uyarılmış Brillouin kazanç/kayıp dedektörü güvenilir bir şekilde yumuşak bu konuda zayıf geriye dönük uyarılmış Brillouin kazanç/kayıp (SBG/SBL) düzeyleri (10-5 – 10-6) tespit etmek için tasarlanmış olması. Bu ihtiyaçları karşılamak için biz dağıtılmış geribildirim (DFB) diyot lazerler polarizasyon korumak açısından birleştiğinde seçilen lifleri birleştirerek bir ultra-dar atom uyarılmış bir Brillouin kazanç/kayıp dedektörü ile birlikte Buhar çentik filtresi ve yüksek frekans şekil 1‘ deki resimli olarak tek-modülasyon amplifikatör kilitli. Bu algılama düzeni SBG sinyalin yoğunluğunu süre önemli ölçüde gürültü azaltma sonda yoğunluğu istenilen SBG sinyal katıştırılmış11nerede iki katına çıkar. Atomik Buhar çentik-filtre bizim SBS Spektrometre kullanılan rolü önemli ölçüde azaltan istenmeyen sokak pompa yansımaları tespiti yerine olduğu gibi her ikisi de tespit VIPA Spektrometreler elastik saçılma arka plan azaltmak için olduğunu unutmayın spontan Rayleigh ve Brillouin ışık dağılmış. Aşağıda ayrıntılı iletişim kuralını kullanarak, CW-SBS Spektrometre SBG düzeyleri olarak 10-6 düşük su ve doku hayaletler iletim spectra edinme yeteneği ile inşa edilebilir < 35 MHz Brillouin kaymalı ölçüm hassas ve 100 ms içinde veya daha az.
Şekil 1: sürekli teşvik Brillouin saçılma (CW-SBS) Spektrometre. İki sürekli pompa ve yoklama diyot lazerler (DL), frekans örnek Brillouin üst karakter detuned polarizasyon Bakımı tek modlu fiberler collimators C1 ve C2, sırasıyla birleştiğinde. Pompa-sonda frekans farkı bir set elyaf ayırıcılar (FS), hızlı photodetector (FPD) ve bir frekans sayacı (FC) kullanarak pompa ve yoklama lazerler soyulmuş kirişler arasında beat frekansı tespit ederek ölçülür. S polarize sonda ışını (ışık kırmızı), kiriş genişletici (L1 ve M2), doğru dairesel yayın bir çeyrek-dalga plate (λ1/4) tarafından polarize bir Keplerian kullanarak genişletilmiş ve bir achromatic lens (M3) örnek (S) odaklı. Etkili SBS etkileşim ve optik yalıtım için bir Keplerian ışını genişletici (L5 ve L6), kullanarak genişletilmiş pompa kiriş (derin kırmızı), ilk P polarize-bir yarı-dalga plaka λ2/4 kullanarak), bir kutuplaşma aracılığıyla aktarılan Splitter (PBS), kiriş ve sonunda sol dairesel yayın bir çeyrek-dalga plate (λ2/4) tarafından polarize ve örnek bir achromatic lens (L4; aynı derecede L3) ile üzerinde duruldu. Pompa ve yoklama kirişler neredeyse örnek karşı sonradan ve (P) (λ1dışında /4 gelme) P polarize pompa ışın sonda girmesini önlemek için kullanılan bir S odaklı polarize lazer unutmayın. Kilitlenme algılaması için pompa ışın sinusoidally fm bir acousto optik modülatör (AOM) ile modüle. Frekans fm yoğunluğu varyasyonları olarak tecelli SBG sinyal (bkz. iç metin) ile demodülealgılama bir geniş alan fotodiyot (PD) tarafından takip bir kilit-in amplifikatör (LIA). Fotodiyot sokak pompa yansımalar önemli kaldırılması için bir dar bant Bragg filtre (BF) ve pompa dalga boyu etrafında bir atomik çentik filtresi (85RB) yanında bir ışık engelleme Iris ile (I) kullanılır. Verileri daha fazla Brillouin spektrum analiz için bir kişisel bilgisayar (PC) bağlı bir veri alma kartı (DAQ) tarafından kaydedilir. Tüm katlanır aynalar (M1– M6) dikey sulu örnekleri yerleşimini kolaylaştırmak için optik masaya monte 18” × 24” breadboard üzerinde Spektrometre sığdırmak için kullanılır. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Protocol
Representative Results
Discussion
Şekil 1‘ de gösterilen sistem, sulu örnekleri yerleşimini kolaylaştıran bir optik masaya monte dikey bir 18” x 24” breadboard üzerinde inşa edilecek şekilde tasarlanmıştır. Sonuç olarak, kuvvetle tüm optik ve mekanik öğeleri sıkın ve pompa ve yoklama kiriş collinear ve konsantrik örnek eksen dışı geometri aydınlatıcı önce çeşitli unsurları ile olduğundan emin olmak önemlidir.
Sinyal kazancı uyarılmış Brillouin gözlemleyerek zorluklar o ma…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
IR Doktora Bursu Ödülü Azrieli Vakfı için minnettar olduğunu.
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).
