High Speed Sub-GHz Spectrometer voor Brillouin Scattering Analyse
Summary
Hier presenteren we een protocol om een snelle Brillouin spectrometer te bouwen. Cascading vrijwel afgebeeld fase array (VIPA) etalons bereiken van een meetsnelheid meer dan 1000 keer sneller dan de traditionele scannen Fabry-Perot spectrometers. Deze verbetering is het instrument om Brillouin analyse van weefsel en biomaterialen bij lage energieniveaus in vivo.
Abstract
Het doel van dit protocol is een parallelle high-extinctie en hoge-resolutie optische Brillouin spectrometer te bouwen. Brillouin spectroscopie is een contactloze meetmethode kan worden gebruikt om direct uitlezingen van visco-elastisch materiaal eigenschappen te verkrijgen. Het is een nuttig instrument in materiaal karakterisering, structurele bewaking en milieu-sensing. In het verleden heeft Brillouin spectroscopie gewoonlijk toegepast scanning Fabry-Perot etalons spectrale analyse. Dit proces vereist een hoge lichtsterkte en lange overname tijden, waardoor de techniek niet geschikt voor biomedische toepassingen. Een recent geïntroduceerde nieuwe spectrometer ondervangt dit probleem door het gebruik van twee VIPAs in een cross-as configuratie. Deze innovatie maakt sub-Gigahertz (GHz) resolutie spectrale analyse met sub-tweede overname tijd en verlichting macht binnen de veiligheidsgrenzen van biologisch weefsel. De meervoudige nieuwe toepassingen vergemakkelijkt door deze verbetering zijn currently onderzocht in biologisch onderzoek en klinische toepassing.
Introduction
Brillouin verstrooiing, eerst beschreven door Leon Brillouin 1 in 1922, is de inelastische verstrooiing van het licht van de thermische akoestische modes in een vaste en van de thermale dichtheidsfluctuaties in een vloeistof of gas. De spectrale verschuiving van het verstrooide licht, meestal in de sub GHz bereik, geeft informatie over de interactie tussen het invallende licht en de akoestische fononen in het monster. Hierdoor kan nuttige informatie over de visco-elastische eigenschappen van het onderzochte materiaal.
In de spontane versie Brillouin verstrooiing in het algemeen dwarsdoorsneden in de orde van Raman verstrooiing, waardoor een zeer zwak signaal. Daarnaast Brillouin frequentieverschuivingen zijn ordes van grootte kleiner dan Raman verschuivingen. Als gevolg daarvan, elastisch verstrooid licht (van Rayleigh of Mie verstrooiing), strooilicht, en back-reflecties van het monster kan de Brillouin spectrale signatuur allemaal gemakkelijk overschaduwen. Dus, Een Brillouin spectrometer moet niet alleen bereiken sub-GHz spectrale resolutie, maar ook een hoge spectrale contrast of uitsterven.
In de traditionele Brillouin spectrometers aan deze eisen wordt voldaan door scannen raspen monochromatoren, optische afstraffing methoden, en, het meest in de volksmond, multiple-pas scanning Fabry-Perot interferometers 2. Deze methoden meten elke spectrale component sequentieel. Deze benadering leidt tot acquisitietijden voor één Brillouin spectrum variërend van enkele minuten tot enkele uren, afhankelijk van het instrument en het monster. De tweetraps VIPA spectrometer gebouwd met dit protocol, heeft de mogelijkheid om alle spectrale componenten te verzamelen in minder dan een seconde terwijl voldoende extinctie (> 60 dB) beteugelen andere stoorsignalen 2.
De integratie van de VIPA etalons is het belangrijkste element van deze spectrometer. Een VIPA is een solide etalon met drie verschillende cdrijvende gebieden: in de voorzijde, een smalle antireflectielaag strip laat het licht aan het VIPA te voeren, terwijl de rest van het oppervlak is voorzien van een sterk reflecterend (HR) coating; in het achteroppervlak, een gedeeltelijk reflecterende coating geeft een klein deel (~ 5%) van het licht wordt uitgezonden. Toen richtte zich op de smalle ingang van de iets gekanteld VIPA, wordt de lichtbundel gereflecteerd in sub-componenten met vaste faseverschil binnen de VIPA 2. Interferentie tussen de sub-componenten bereikt de geambieerde hoge spectrale dispersie. Uitlijnen van twee VIPAs opeenvolgend in cross-as configuratie introduceert spectrale dispersie in orthogonale richtingen 3. De spectrale dispersie in orthogonale richtingen ruimtelijk scheidt de Brillouin pieken van ongewenste overspraak, waardoor het mogelijk op te halen alleen de Brillouin signaal. Figuur 1 toont een schema van de tweetraps VIPA spectrometer. De pijlen onder de optische elementen aangeven degree van vrijheid waarin de translationele etappes moet worden gericht.
Figuur 1. Instrumental setup. Een optische vezel levert de Brillouin verstrooiing in de spectrometer. Een cilindrische lens C1 (f = 200 mm) richt het licht in de ingang van de eerste VIPA (VIPA1). Nog een cilindrische lens C2 (f = 200 mm) beeldt de spectrale hoekige dispersie in een ruimtelijke scheiding in het brandvlak van C2. In dit vlak wordt een verticale masker om het gewenste deel van het spectrum te selecteren. Een analoge configuratie volgt gekanteld 90 graden. De bundel gaat door een sferische lens S1 (f = 200 mm) en is gericht naar de ingang gleuf van de tweede VIPA (VIPA2). Een sferische lens S2 (f = 200 mm) maakt het tweedimensionale spectraal gescheiden patroon in haar brandvlak, waarbij een horizontaal masker wordt geplaatst. De horzontale masker is afgebeeld op de EMCCD camera met behulp van een Achromaat pair. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Een undergraduate student met een aantal optische cursussen en fundamentele uitlijnen ervaring moeten kunnen bouwen en gebruiken van deze twee-traps spectrometer. De spectrometer is onlangs aangetoond compatibel met een aantal standaard optische sondes 3,4,5 (bijvoorbeeld, confocale microscoop, endoscoop, spleet-lamp oftalmoscoop) zijn. Hier wordt de spectrometer verbonden met een confocale microscoop. Het laserlicht wordt gericht in een standaardonderzoek systeem omgekeerde microscoop na integratie van een 90:10 bundelsplitser. De terugverstrooiing licht van het monster wordt gekoppeld in een single mode fiber, waardoor de confocale microscoop.
Protocol
Representative Results
Discussion
Een sleutelelement in het ontwerp van de spectrometer configuratie is dat de twee fasen afzonderlijk worden uitgelijnd. Wanneer een VIPA etalon is geschoven buiten het optische pad, de resterende lenzen van de spectrometer fase vormen een 1: 1 beeldvormingssysteem, zodat de spectrale patroon van elke trap wordt afgebeeld op de CCD camera. Daarom is het eenvoudig om terug te gaan naar een van de stappen om de prestaties te verbeteren zonder dat de uitlijning van de andere fase. De set van translationeel podia en vrijheid…
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).
