Brillouin Saçılma Analiz Yüksek Hızlı Alt GHz Spektrometre
Summary
Burada hızlı bir Brillouin spektrometresi inşa etmek için bir protokol mevcut. Neredeyse görüntülü faz dizi Basamaklı (VIPA) etalonları 1000'den fazla kat daha hızlı geleneksel tarama Fabry-Perot spektrometresi daha ölçüm hızına erişmek. Bu gelişme in vivo düşük güç seviyelerinde doku ve biyomalzemelerin Brillouin analizi için araçlar sağlar.
Abstract
Bu protokolün amacı, bir paralel yüksek sönme ve yüksek çözünürlüklü optik Brillouin spektrometresi inşa etmektir. Brillouin spektroskopisi viskoelâstik malzeme özelliklerinin doğrudan okunabilmesi için kullanılabilecek bir temassız ölçüm yöntemidir. Bu malzeme karakterizasyonu, yapısal izleme ve çevre algılama yararlı bir araç olmuştur. Geçmişte, Brillouin spektroskopisi genellikle spektral analizi gerçekleştirmek için tarama Fabry-Perot etalonları istihdam vardır. Bu süreç biyomedikal uygulamalar için uygun tekniği yapım, yüksek aydınlatma gücü ve uzun edinme süreleri gerektirmektedir. Geçtiğimiz günlerde tanıtılan yeni spektrometre çapraz eksen yapılandırmasında iki VIPAs kullanılarak bu sorunu üstesinden gelir. Bu yenilik biyolojik doku güvenlik sınırları içinde alt ikinci edinimi süresi ve aydınlatma gücüne sahip alt gigahertz (GHz) çözünürlük spektral analiz sağlar. Bu gelişme kolaylaştırdı birden yeni uygulamalar cu vardırrrently biyolojik araştırma ve klinik uygulamada araştırılmaktadır.
Introduction
1922 yılında Leon Brillouin 1 tarafından tarif Brillouin saçılması, bir katı ve bir sıvı ya da gaz termal yoğunluk dalgalanmalarına termal, akustik modları ışık inelastik dağılımıdır. Genellikle alt GHz-aralığında dağınık ışık spektral kayması, olay ışık ve örnek akustik fononların arasındaki etkileşim hakkında bilgi sağlar. Bunun bir sonucu olarak, incelenen malzemenin viskoelastik özelliklerinin ilgili faydalı bilgiler sağlayabilir.
Onun kendiliğinden versiyonunda, Brillouin saçılması genellikle çok zayıf bir sinyal sonuçlanan Raman saçılması sırasına göre kesitlerini vardır. Ayrıca, Brillouin frekans kaymaları Raman vardiya daha küçük büyüklük kararlarıdır. Bunun bir sonucu olarak, elastik, kaçak ışık ve arka yansımalar (Rayleigh veya Mie saçılımı itibaren) tüm kolayca Brillouin spektral imza gölgeleyebilir örnek kapalı ışık saçtı. Bundan dolayıBir Brillouin spektrometre alt GHz spektral çözünürlüğü değil, aynı zamanda yüksek spektral kontrast veya nesli elde etmek için değil sadece ihtiyaç duyar.
Geleneksel Brillouin spektrometre Bu zorunluluklara en popüler tarama-ızgara monokromatörler, optik dayak yöntemleri ve, çok geçişli tarama Fabry-Perot interferometreler 2 tarafından karşılanmaktadır. Bu yöntemler, her spektral komponent sekans ölçer. Bu yaklaşım, aracı ile numuneye bağlı olarak, birkaç saate kadar, birkaç dakika arasında değişen tek bir Brillouin spektrumu için elde etme sürelerine yol açar. Bu protokolü kullanılarak inşa iki aşamalı VIPA spektrometre, etkili bir diğer sahte sinyaller 2 bastırmak için yeterli sönme (> 60 dB) sağlarken daha az bir saniye içinde spektral bileşenlerin tüm toplamak için yeteneği vardır.
VIPA etalonu entegrasyonu bu spektrometre temel unsurudur. Bir VIPA üç farklı c sağlam bir etalon olduğunualanları oating: yüzeyin geri kalanı oldukça yansıtıcı (HR) kaplama sahipken ön yüzeyinde, dar bir yansıma önleyici kaplama şeridi, ışık VIPA girmek için izin verir; arka yüzeyine bir kısmen yansıtıcı kaplama ışık küçük bir kısmı (~% 5) iletilmesini sağlar. Hafif eğimli VIPA dar girişinde üzerine odaklanmış, ışık demeti VIPA 2 içinde sabit faz farkı ile alt bileşenlerine yansır. Alt bileşenleri arasındaki Girişim hedeflenen yüksek spektral dağılımını ulaşır. Çapraz eksen konfigürasyonda ardışık iki VIPAs hizalama ortogonal istikamette 3 spektral dispersiyon getirmektedir. Dik yönlerde spektral dağılım mekansal mümkün sadece Brillouin sinyal almaya kılan istenmeyen karışma, gelen Brillouin doruklarına ayırır. 1 görüntüler iki aşamalı VIPA spektrometresi bir şemasını Şekil. Optik elemanlar aşağıda oklar ° işaretöteleme aşamaları odaklı gereken özgürlük ree.
Şekil 1. Enstrümantal kurulum. Bir fiber optik spektrometresi içine Brillouin saçılması sunar. Silindirik mercek C1 (f = 200 mm), ilk VIPA (VIPA1) girişinde içine ışık odaklanır. Başka bir silindir lens C2 (f = 200 mm) C2 odak düzleminde lokal ayırma spektral açısal dispersiyon eşleştirir. Bu düzlemde, dikey bir maske spektrum istenilen bölümünün seçilmesi için kullanılır. Benzer bir yapılandırma 90 derecede eğik, izler. Kiriş küresel lens S1 (f = 200 mm) içinden geçer ve ikinci VIPA (VIPA2) giriş açıklığına odaklanmıştır. Bir küresel lens S2 (f = 200 mm) başka bir yatay maske yerleştirilir odak düzlemi, iki boyutlu spektral olarak ayrılmış bir desen oluşturur. Horizontal maske bir akromatik objektif çifti kullanılarak EMCCD kamera üzerine görüntülü. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Bazı optik kurs ve temel hizalama deneyimi ile bir lisans öğrencisi oluşturmak ve bu iki aşamalı spektrometresi kullanmak gerekir. Spektrometre son standart optik prob çeşitli 3,4,5 (örneğin, konfokal mikroskop, endoskop, slit-lamp oftalmoskop) ile uyumlu olacak şekilde gösterilmiştir. Burada, spektrometre konfokal mikroskop bağlanır. Lazer ışığı 90:10 ışın ayırıcı entegre sonra standart bir araştırma ters sistem mikroskop içine hizalanmış. Örnekten ince filmlerden ışık mikroskobu konfokal yapma, tek modlu fiber içine birleştirilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu spektrometre konfigürasyonunun önemli bir tasarım özelliği, iki kademeli, bağımsız olarak hizalanmış olmasıdır. Her aşamada spektral desen CCD kamera üzerine görüntülü şekilde, 1 görüntüleme sistemi, bir VIPA etalonu optik yol üzerinden kaydırılır zaman spektrometre aşamasında geri kalan lensler 1 oluşturmaktadır. Bu nedenle, diğer aşamanın uyum etkilemeden kendi performansını artırmak için aşamalarında ikisinden biri geri dönmek basittir. Protokolde önerilen çeviri aşamalar…
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).
