Summary

高速的sub-GHz光谱仪激布里渊散射分析

Published: December 22, 2015
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Summary

在这里,我们提出了一个协议,以建立一个快速的布里渊光谱仪。级联几乎成像相控阵(VIPA)标准具实现了测量速度比传统扫描法布里 – 珀罗光谱仪快1000倍以上。这种改进提供了用于组织和生物材料在低功率水平的体内布里渊分析。

Abstract

该协议的目标是建立一个平行的高灭绝和高分辨率光学布里渊光谱仪。布里渊光谱是可以用来获得粘弹性材料属性直接读数的非接触测量方法。它已经在材料特性,结构的监测和环境传感的有用工具。在过去,布里渊光谱已经通常使用扫描法布里 – 珀罗标准具来执行频谱分析。这个过程需要高亮度功率和长采集时间,使得该技术不适合生物医学应用。最近推出的新型光谱仪通过采用两个东哲在交叉轴配置克服了这一难题。这一创新使具有内生物组织的安全界限亚秒采集时间和照明电源子千兆赫(GHz)的分辨率频谱分析。通过这种改进促进了多种新的应用程序立方米rrently正在探索在生物研究和临床应用。

Introduction

布里渊散射,首先由Leon布里渊1于1922年描述的,是光从在固体和来自液体或气体的热密度波动的热声模的非弹性散射。的散射光的谱移,通常在子GHz的范围,提供了有关该入射光和与样品中的声子之间的相互作用的信息。其结果是,它可以提供关于被检查材料的粘弹性能的有用信息。

在其自发版本,布里渊散射通常具有横截面在拉曼散射的顺序,产生了非常弱的信号。此外,布里渊频移的幅度比拉曼位移较小的订单。因此,弹性散射光(来自瑞利和米氏散射),杂散光,而反向反射在样本上都可以很容易地掩盖了布里渊光谱特征。故,布里渊光谱仪不仅需要实现的sub-GHz光谱分辨率也高光谱对比度或灭绝。

在传统的布里渊光谱仪这些要求是由扫描光栅单色器,光学打浆方法,以及最普遍地,多遍扫描法布里-珀罗干涉仪2满足。这些方法测量每个频谱分量顺序。这种方法导致了采集时间为单个布里渊频谱范围从几分钟到几个小时,这取决于仪器和在样品上。两阶段VIPA光谱仪,使用该协议建立,具有收集所有频谱分量的内不到一秒,同时提供足够的消光(> 60 dB为单位),以有效地抑制其它杂散信号2的能力。

VIPA的标准具的整合是本光谱仪的关键要素。一个VIPA是一个坚实的标准具有三个不同的C浮动区域:在所述前表面,一个窄抗反射涂层条允许光进入VIPA,而表面的其余部分设有一个高反射(HR)涂层;在后表面的部分反射涂层允许的光的一小部分(〜5%),以进行发送。当聚焦到稍微倾斜VIPA的狭窄的入口时,光束被反射到子组件与VIPA 2内固定的相位差。子组件之间的干扰达到渴望的高光谱色散。在交叉轴配置对两个东哲行依次介绍了正交方向3光谱色散。在正交方向上的光谱色散空间上分离从不需要的串扰,这使得有可能仅拾取布里渊信号的布里渊峰。 图1显示的是两级VIPA分光计的示意图。下面的光学元件中的箭头指示的度自由稀土元素,其中的平移阶段应侧重。

图1
图1.纯设置。一种光纤开出布里渊散射进入分光光度计。一个柱面透镜C1(F = 200 MM)将光聚焦到第一VIPA(VIPA1)的入口。另一个圆柱透镜的C2(F = 200毫米)映射的光谱角色散成空间分离C2的焦平面。在该平面中,垂直掩模用于选择光谱的所需部分。类似的结构如下,倾斜90度。光束通过球面透镜S1(F = 200毫米)传递并聚焦到第二VIPA(VIPA2)的入口狭缝。甲球面透镜S2(F = 200毫米)产生在其焦平面,其中另一条水平掩模被放置在二维光谱上分离的图案。该HORizontal掩模成像到使用的消色差透镜对的EMCCD相机。 请点击此处查看该图的放大版本。

本科生与一些光学课程和基本取向的经验应该能够建立和使用两个阶段的光谱仪。分光计最近已证明是与各种标准的光学探针的3,4,5(例如共焦显微镜,内窥镜,裂隙灯检眼镜)兼容。这里,光谱仪被连接到共聚焦显微镜。激光被整合90:10分束器后对准成标准研究倒置显微镜系统。来自样品的背散射光被耦合进单模光纤,使得共焦显微镜。

Protocol

注意:布里渊频谱分析需要单纵模激光(〜10毫瓦的样品)。对于调整的目的,使用激光束(<0.1毫瓦)的强烈衰减部分。 纤维1.初始设置和EMCCD(电子倍增电荷耦合器件)相机识别约1600 mm的自由空间对准了在光学平台上的光谱仪。 安装EMCCD相机在自由空间对准的结束。 用螺丝将相机连接到岗位。拧紧后持有人的职位所需的光轴高度。拧紧后持有人使用上表夹…

Representative Results

图3示出有代表性的布里渊频谱和其配合为不同的材料。的东哲行两者的厚度为5毫米,导致大约20千兆赫的FSR。的积分时间这些测量是100毫秒。 100测量是平均。一个校准测量之前获得的光谱进行了拍摄。 图不同材质的3布里渊谱 。 洛伦兹曲线拟合(红?…

Discussion

这种分光计的配置的一个关键的设计特点是,两个阶段可以独立地对准。当一个VIPA标准具滑出光路,分光计阶段的其余镜片形成1:1的成像系统,使来自每个阶段的频谱图案被成像到CCD照相机。因此,它是直接回到任一个阶段以提高其性能,而不会影响其他级的对准。该组中的协议建议的平移阶段和自由度遵循这一理念,保持独立优化光谱仪的两个阶段的能力。

这是很难装?…

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

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Citazione di questo articolo
Berghaus, K. V., Yun, S. H., Scarcelli, G. High Speed Sub-GHz Spectrometer for Brillouin Scattering Analysis. J. Vis. Exp. (106), e53468, doi:10.3791/53468 (2015).

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