Высокоскоростной югу ГГц спектрометр для анализа рассеяния Бриллюэна
Summary
Здесь мы приводим протокол для создания быстрого Бриллюэна спектрометра. Каскадные практически изображенную фаз массив (VIPA) эталоны достигнуть скорости измерения более чем 1000 раз быстрее, чем традиционные сканирования Фабри-Перо спектрометров. Это улучшение предоставляет средства для Бриллюэна анализа ткани и биоматериалов при низких уровнях мощности в естественных условиях.
Abstract
Цель этого протокола заключается в создании параллельного высокого вымирание и высокого разрешения оптического спектрометра Бриллюэна. Бриллюэна спектроскопии является способ измерения бесконтактный, которые могут быть использованы для получения прямых показаний свойств вязкоупругого материала. Это был полезный инструмент в материальном характеристики, структурного мониторинга и зондирования окружающей среды. В прошлом Бриллюэна спектроскопии обычно используется сканирование Фабри-Перо эталонов для выполнения спектрального анализа. Этот процесс требует высокой мощности освещения и долгие времена приобретения, что делает технику непригодной для биомедицинских применений. Недавно введены роман спектрометр преодолевает эту проблему путем использования двух VIPAs в конфигурации поперечного оси. Это нововведение позволяет суб-гигагерц (ГГц) разрешение спектрального анализа с суб-второй раз приобретения и освещения власти в пределах безопасности биологической ткани. Многочисленные новые приложения при содействии этого улучшения являются у.е.rrently изучаются в биологических исследованиях и клинической практике.
Introduction
Бриллюэна, впервые описанный Leon Бриллюэна 1 в 1922 году, это рассеяние света от тепловых акустических мод в виде твердого вещества и от колебаний тепловых плотности в жидкости или газе. Спектральный сдвиг рассеянного света, как правило, в суб-ГГц диапазоне, предоставляет информацию о взаимодействии между падающего света и акустических фононов в образце. В результате, это может дать полезную информацию о вязкоупругих свойств исследуемого материала.
В своей спонтанной версии, Бриллюэна обычно имеет поперечное сечение в том порядке, комбинационного рассеяния, что приводит к очень слабым сигналом. Кроме того, частота Бриллюэна сдвиги порядков меньше, чем комбинационного рассеяния сдвигов. Как следствие, упруго рассеянного света (от Рэлея или рассеяния Ми), рассеянного света, и бэк-отражения от образца, может легко затмить Бриллюэна спектральной подпись. Следовательно, А Бриллюэна спектрометр должен не только достичь суб-ГГц спектральное разрешение, но и высокую спектральную контраст или вымирание.
В традиционных Бриллюэна спектрометров эти требования удовлетворяются сканирования решеткой монохроматорами, оптических методов избиение, и, наиболее широко, несколько частот сканирования Фабри-Перо 2. Эти методы измерения каждого спектрального компонента последовательно. Этот подход приводит к время обнаружения для одного Бриллюэна спектре от нескольких минут до нескольких часов, в зависимости от инструмента и на образце. VIPA спектрометр два этапа, построенный с помощью этого протокола, имеет способность собирать все спектральных компонентов в менее чем за секунду, обеспечивая достаточную вымирание (> 60 дБ) для эффективного подавления других паразитных сигналов 2.
Интеграция эталонов VIPA является ключевым элементом этого спектрометра. VIPA является твердой эталон с тремя различными Cплавающей области: на передней поверхности, узкая полоска антибликовое покрытие позволяет свету проникать в VIPA, в то время как остальная поверхность имеет высокой отражательной (HR) покрытие; В задней поверхности, частично отражающее покрытие обеспечивает небольшая часть (~ 5%) света должны быть переданы. При фокусировке на узком входе в слегка наклонена VIPA, луч света отражается в получает подкомпонентов с разницей фиксированной фазы в VIPA 2. Помехи между суб компонентов достигает стремился высокую спектральную дисперсию. Выравнивание два VIPAs последовательно в конфигурации поперечного оси вводит спектральную дисперсию в ортогональных направлениях 3. Спектральный дисперсия в ортогональных направлениях пространственно разделяет Бриллюэна пики от нежелательных помех, что позволяет подобрать только сигнал Бриллюэна. На рисунке 1 показан схематический вид VIPA спектрометра два этапа. Стрелки ниже оптических элементов указывают градРЗЭ свободы, в котором поступательные этапы должны быть ориентированы.
1. Инструментальная установки Рисунок. Оптическое волокно обеспечивает Бриллюэна в спектрометре. Цилиндрическая линза С1 (F = 200 мм) фокусирует свет во вход первой VIPA (VIPA1). Другой цилиндрической линзы С2 (F = 200 мм) отображает спектральный угловой дисперсии в пространственном разделении в фокальной плоскости С2. В этой плоскости, вертикальная маска используется, чтобы выбрать нужный участок спектра. Аналогичный конфигурации следующим образом, наклонена под углом 90 градусов. Луч проходит через сферическую линзу S1 (F = 200 мм) и ориентирована на входную щель второго VIPA (VIPA2). Сферической линзы S2 (F = 200 мм) создает двумерный спектрально разделенных образец в его фокальной плоскости, где горизонтальная другой маски находится. Хорзонтальная маска изображается на EMCCD камеры с помощью ахроматический объектив пару. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Студентом с некоторым оптики курсовых и основной опыт выравнивания должны быть в состоянии создавать и использовать этот двухступенчатый спектрометра. Спектрометр Недавно было показано, чтобы быть совместимым с различными оптическими датчиками стандартных 3,4,5 (например, конфокальный микроскоп, эндоскоп, щелевой лампы офтальмоскопа). Здесь спектрометр подключен к конфокальной микроскопии. Лазерный свет выравнивается в стандартный исследований инвертированной системы микроскопа после интегрирования разветвитель 90:10 луча. Свет обратного рассеяния от образца соединен в одномодовом волокне, что делает микроскопа конфокальной.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ключевая особенность данной конфигурации спектрометра является то, что два этапа могут быть выровнены самостоятельно. При эталон VIPA скользит из оптического пути, остальные линзы стадии спектрометра образуют 1: 1 системы визуализации, так что спектральная образец из каждой ступени ото?…
Divulgazioni
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 |
Riferimenti
- Brillouin, L. Diffusion de la lumiere et des rayonnes X par un corps transparent homogene; influence del’agitation thermique. Ann. Phys. (Paris) . 17, 88-122 (1922).
- Scarcelli, G., Yun, S. H. Multistage VIPA etalons for high-extinction parallel Brillouin spectroscopy. Opt. Exp. 19 (11), 10913-10922 (2011).
- Scarcelli, G. Confocal Brillouin microscopy for three-dimensional mechanical imaging. Nat. Phot. 2 (1), 39-43 (2008).
- Nichols, A. J., Evans, C. L. Video-rate Scanning Confocal Microscopy and Microendoscopy. J. Vis. Exp. (56), e3252 (2011).
- Steelman, Z., Meng, Z., Traverso, A. J., Yakovlev, V. V. Brillouin spectroscopy as a new method of screening for increased CSF total protein during bacterial meningitis. J. Biophoton. 8 (5), 1-7 (2014).
- Koski, K. J., Yarger, J. L. Brillouin imaging. Appl. Phys. Lett. 87 (6), 061903 (2005).
- Faris, G. W., Jusinski, L. E., Hickman, A. P. High-resolution stimulated Brillouin gain spectroscopy in glasses and crystals. J. Opt. Soc. Am. B. 10 (4), 587-599 (1993).
- Scarcelli, G., Yun, S. H. In vivo Brillouin optical microscopy of the human eye. Opt. Exp. 20 (8), 9197-9202 (2012).
- Scarcelli, G., Besner, S., Pineda, R., Kalout, P., Yun, S. H. In Vivo Biomechanical Mapping of Normal and Keratoconus Corneas. Jama Ophtalmol. , (2015).
- Scarcelli, G., Kim, P., Yun, S. H. In Vivo Measurement of Age-Related Stiffening in the Crystalline Lens by Brillouin Optical Microscopy. Biophys. J. 101 (6), 1539-1545 (2011).
- Antonacci, G., Foreman, M. R., Paterson, C., Török, P. Spectral broadening in Brillouin imaging. Appl. Phys. Lett. 103 (22), 221105 (2013).
- Meng, Z., Traverso, A. J., Yakovlev, V. Background clean-up in Brillouin microspectroscopy of scattering medium. Opt. Exp. 22 (5), 5410-5415 (2014).
- Reiss, S., Burau, G., Stachs, O., Guthoff, R., Stolz, H. Spatially resolved Brillouin spectroscopy to determine the rheological properties of the eye lens. Biomed. Opt. Exp. 2 (8), 2144-2159 (2011).
- Scarcelli, G., Kling, S., Quijano, E., Pineda, R., Marcos, S., Yun, S. H. Brillouin microscopy of collagen crosslinking: noncontact depth-dependent analysis of corneal elastic modulus. Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. 54 (2), 1418-1425 (2013).
