عالية السرعة غيغاهرتز الفرعي مطياف لتحليل Brillouin نثر
Summary
هنا نقدم بروتوكول لبناء مطياف Brillouin السريع. المتتالية تصوير تقريبا مجموعة مرحلة (VIPA) etalons تحقيق سرعة قياس أكثر من 1000 مرة أسرع من المسح التقليدي الطيف فابري بيرو. يوفر هذا التحسن وسيلة لتحليل Brillouin من الأنسجة والمواد الحيوية عند مستويات منخفضة الطاقة في الجسم الحي.
Abstract
والهدف من هذا البروتوكول هو بناء مواز عالية الانقراض وعالية الدقة Brillouin البصرية مطياف. Brillouin الطيفي هو وسيلة قياس عدم الاتصال التي يمكن استخدامها للحصول على قراءات مباشرة لخصائص المواد اللزجة. فقد كان أداة مفيدة في توصيف المواد، ورصد الهيكلي والاستشعار البيئي. في الماضي، وقد Brillouin الطيفي عادة المستخدمة المسح etalons فابري بيرو لأداء التحليل الطيفي. هذه العملية تتطلب طاقة عالية الإضاءة وأوقات اكتساب طويلة، مما يجعل هذه التقنية غير مناسبة للتطبيقات الطبية الحيوية. A مطياف رواية أدخلت مؤخرا يتغلب على هذا التحدي من خلال توظيف اثنين VIPAs في تكوين محور عرضي. هذا الابتكار يمكن (غيغاهرتز) التحليل الطيفي الدقة جيجاهيرتز من الباطن مع اكتساب الوقت الفرعي الثاني وقوة الإضاءة في حدود سلامة الأنسجة البيولوجية. تطبيقات جديدة متعددة سهلت هذا التحسن هي مكعبrrently التي يجري استكشافها في الأبحاث البيولوجية والتطبيق السريري.
Introduction
نثر Brillouin، وصف لأول مرة من قبل ليون برويون 1 في عام 1922، هو نثر غير مرن الضوء من وسائط الصوتية الحرارية في الحالة الصلبة ومن تقلبات الكثافة الحرارية في سائل أو غاز. التحول الطيفي للضوء متناثرة، وعادة في شبه غيغاهرتز المدى، يوفر المعلومات حول التفاعل بين الضوء الساقط والفونونات الصوتية في العينة. ونتيجة لذلك، يمكن أن توفر معلومات مفيدة عن الخصائص اللزجة من المواد التي تم فحصها.
في نسخته عفوية، Brillouin نثر له عموما المقاطع العرضية في ترتيب رامان نثر، مما أدى في إشارة ضعيفة جدا. بالإضافة إلى ذلك، والتحولات تردد Brillouin هي أوامر من حجم أصغر من التحولات رامان. ونتيجة لذلك، منتشرة مطاطيا ضوء (من رايلي أو مي نثر)، الضوء الشارد، والخلفية انعكاسات الخروج من عينة يمكن بكل يسر وسهولة تلقي بظلالها على البصمة الطيفية Brillouin. لذلك السببيحتاج مطياف Brillouin ليس فقط لتحقيق غيغاهرتز الفرعي قرار الطيفي ولكن أيضا على النقيض طيفية عالية أو الانقراض.
في الطيف Brillouin التقليدية يتم الوفاء بهذه المتطلبات التي كتبها monochromators-صريف المسح الضوئي، وأساليب الضرب البصرية، والأكثر شعبيا، تداخل متعددة تمريرة مسح فابري بيرو 2. هذه الأساليب تقيس كل بالتتابع المكون الطيفي. هذا النهج يؤدي إلى اكتساب مرات لطيف Brillouin واحد تتراوح بين بضع دقائق إلى عدة ساعات، اعتمادا على الصك وعلى العينة. وVIPA مطياف مرحلتين، تم إنشاؤها باستخدام هذا البروتوكول، لديه القدرة على جمع كافة المكونات الطيفية في أقل من ثانية مع توفير ما يكفي من الانقراض (> 60 ديسيبل) لقمع فعالية إشارات زائفة أخرى 2.
دمج etalons VIPA هو العنصر الرئيسي لهذا الطيف. A VIPA هو ETALON متينة مع ثلاثة ج مختلفةoating المناطق: في السطح الأمامي، ضيق الشريط المضادة للانعكاس طلاء يسمح للضوء بالدخول إلى VIPA، في حين أن بقية السطح تحتوي على عاكس للغاية (HR) الطلاء؛ في السطح الخلفي، طلاء عاكسة جزئيا يسمح جزء صغير (~ 5٪) من الضوء لإرسالها. عندما تركز على المدخل الضيق للVIPA يميل قليلا، ويحصل ينعكس شعاع الضوء إلى مكونات فرعية مع فرق الطور ثابت داخل VIPA 2. التداخل بين المكونات الفرعية يحقق المنشود تشتت طيفية عالية. التوفيق بين اثنين VIPAs بالتتابع في تكوين محور عبر يدخل تشتت الطيفي في الاتجاهات المتعامدة 3. تشتت الطيفي في الاتجاهات المتعامدة يفصل مكانيا القمم Brillouin من الحديث المتبادل غير المرغوب فيها، الأمر الذي يجعل من الممكن لالتقاط سوى إشارة Brillouin الشكل 1 يعرض التخطيطي لVIPA مطياف مرحلتين. الأسهم أقل من العناصر البصرية تشير إلى درجةري الحرية التي ينبغي أن تكون موجهة المراحل متعدية.
الشكل 1. الإعداد دور فعال. يسلم الألياف البصرية تناثر Brillouin في مطياف. عدسة أسطوانية C1 (و = 200 مم) وتركز الضوء إلى مدخل VIPA الأول (VIPA1). آخر عدسة اسطوانية C2 (و = 200 مم) خرائط تشتت الزاوي الطيفي إلى الانفصال المكاني في المستوى البؤري من C2. في هذه الطائرة، ويستخدم قناع العمودي لتحديد الجزء المطلوب من الطيف. يتبع تكوين مماثل، مائلا بزاوية 90 درجة. شعاع يمر من خلال عدسة كروية S1 (و = 200 مم) ويتركز في فتحة مدخل VIPA الثاني (VIPA2). عدسة كروية S2 (و = 200 مم) يخلق ثنائي الأبعاد نمط فصل طيفيا في طائرتها التنسيق، حيث يتم وضع قناع آخر أفقي. في هورتم تصوير قناع izontal على الكاميرا EMCCD باستخدام زوج عدسة مصاب بعمى الألوان. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
طالب الجامعي مع بعض الدورات الدراسية البصريات والخبرة التوفيق الأساسية يجب أن يكون قادرا على بناء واستخدام هذا مرحلتين مطياف. وقد تم مؤخرا أظهرت مطياف لتكون متوافقة مع مجموعة متنوعة من تحقيقات البصرية القياسية 3،4،5 (على سبيل المثال، المجهر متحد البؤر، المنظار، شق مصباح منظار العين). هنا، يتم توصيل مطياف لالمجهر متحد البؤر. يتم محاذاة ضوء الليزر إلى بحث مقلوب المجهر نظام موحد بعد دمج الخائن 90:10 شعاع. ويقترن ضوء ارتداد مبعثر من العينة إلى الألياف وضع واحد، مما يجعل متحد البؤر المجهر.
Protocol
Representative Results
Discussion
وهناك ميزة التصميم الأساسية لهذا التكوين مطياف هي أن المرحلتين يمكن محاذاة بشكل مستقل. عندما انزلق على ETALON VIPA من مسار بصري، والعدسات المتبقية من المرحلة مطياف تشكل 1: نظام التصوير 1، بحيث يتم تصوير نمط الأطياف من كل مرحلة على كاميرا CCD. وبالتالي، فإنه واضح وصريح للذهاب…
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).
