Brillouin छितराया विश्लेषण के लिए हाई स्पीड उप-गीगा स्पेक्ट्रोमीटर
Summary
यहाँ हम एक तेजी से Brillouin स्पेक्ट्रोमीटर का निर्माण करने के लिए एक प्रोटोकॉल उपस्थित थे। वस्तुतः imaged चरण सरणी व्यापक (Vipa) etalons 1,000 से अधिक गुना तेजी से परंपरागत स्कैनिंग फेब्री पेरोट स्पेक्ट्रोमीटर की तुलना में एक माप की गति को प्राप्त करने। इस सुधार विवो में कम शक्ति के स्तर पर ऊतक और biomaterials के Brillouin विश्लेषण के लिए साधन प्रदान करता है।
Abstract
इस प्रोटोकॉल के लक्ष्य के लिए एक समानांतर उच्च विलुप्त होने और उच्च संकल्प ऑप्टिकल Brillouin स्पेक्ट्रोमीटर का निर्माण होता है। Brillouin स्पेक्ट्रोस्कोपी viscoelastic सामग्री के गुणों का सीधा readouts प्राप्त करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है कि एक गैर संपर्क माप पद्धति है। यह सामग्री लक्षण, संरचनात्मक निगरानी और पर्यावरण संवेदन में एक उपयोगी उपकरण किया गया है। अतीत में, Brillouin स्पेक्ट्रोस्कोपी आमतौर पर वर्णक्रम विश्लेषण प्रदर्शन करने के लिए स्कैनिंग फेब्री पेरोट etalons कार्यरत है। इस प्रक्रिया को जैव चिकित्सा अनुप्रयोगों के लिए अनुपयुक्त तकनीक है, जिससे उच्च रोशनी शक्ति और लंबे अधिग्रहण के समय की आवश्यकता है। हाल ही में शुरू उपन्यास स्पेक्ट्रोमीटर एक पार अक्ष विन्यास में दो VIPAs को रोजगार से इस चुनौती पर काबू। इस नवाचार जैविक ऊतक की सुरक्षा सीमा के भीतर उप-दूसरे अधिग्रहण समय और रोशनी शक्ति के साथ उप-गीगाहर्ट्ज़ (GHz) संकल्प वर्णक्रम विश्लेषण में सक्षम बनाता है। इस सुधार के द्वारा सुविधा के लिए कई नए अनुप्रयोगों घन रहे हैंrrently जैविक अनुसंधान और नैदानिक आवेदन में पता लगाया जा रहा है।
Introduction
पहले 1922 में लियोन Brillouin 1 से वर्णित Brillouin बिखरने, एक ठोस में और एक तरल या गैस में थर्मल घनत्व में उतार-चढ़ाव से थर्मल ध्वनिक मोड से प्रकाश की स्थिर बिखरने है। आमतौर पर उप गीगा-सीमा में बिखरे हुए प्रकाश के वर्णक्रम पारी, घटना प्रकाश और नमूने में ध्वनिक phonons के बीच बातचीत के बारे में जानकारी प्रदान करता है। नतीजतन, यह जांच की सामग्री के viscoelastic गुणों के बारे में उपयोगी जानकारी प्रदान कर सकते हैं।
इसकी सहज संस्करण में, Brillouin बिखरने आम तौर पर एक बहुत कमजोर संकेत है, जिसके परिणामस्वरूप रमन बिखरने के क्रम में पार वर्गों है। इसके अतिरिक्त, Brillouin आवृत्ति पारियों रमन पारियों की तुलना में छोटे परिमाण के आदेश हैं। एक परिणाम के रूप में, लचीलेपन से, आवारा प्रकाश, और वापस प्रतिबिंब (रेले या Mie बिखरने से) सभी को आसानी से Brillouin वर्णक्रमीय हस्ताक्षर साया कर सकते हैं नमूना के बंद प्रकाश में बिखरे हुए। अतएक Brillouin स्पेक्ट्रोमीटर उप गीगा वर्णक्रमीय संकल्प लेकिन यह भी उच्च वर्णक्रमीय विपरीत या विलुप्त होने के लक्ष्य को हासिल करने के लिए न केवल जरूरत है।
पारंपरिक Brillouin स्पेक्ट्रोमीटर में इन आवश्यकताओं को सबसे लोकप्रिय स्कैनिंग-झंझरी monochromators, ऑप्टिकल पिटाई विधियों, और, कई-पास स्कैनिंग फेब्री पेरोट interferometers 2 से मुलाकात कर रहे हैं। इन विधियों प्रत्येक वर्णक्रमीय घटक क्रमिक रूप से मापने। यह दृष्टिकोण साधन पर और नमूना के आधार पर कई घंटे के लिए कुछ मिनट से लेकर एक भी Brillouin स्पेक्ट्रम के लिए अधिग्रहण के समय होता है। इस प्रोटोकॉल का उपयोग कर बनाया दो चरण Vipa स्पेक्ट्रोमीटर, प्रभावी ढंग से अन्य नकली संकेतों 2 को दबाने के लिए पर्याप्त विलुप्त होने (> 60 डीबी) प्रदान करते हुए कम से कम एक दूसरे के भीतर वर्णक्रमीय घटकों के सभी इकट्ठा करने की क्षमता है।
Vipa etalons के एकीकरण इस स्पेक्ट्रोमीटर का प्रमुख तत्व है। एक Vipa तीन अलग अलग ग के साथ एक ठोस etalon हैक्षेत्रों oating: सतह के बाकी एक अत्यधिक परावर्तक (मानव संसाधन) कोटिंग सुविधाएँ जबकि सामने की सतह में एक संकीर्ण विरोधी प्रतिबिंब कोटिंग पट्टी, प्रकाश Vipa में प्रवेश करने की अनुमति देता है; वापस सतह में, एक आंशिक रूप से चिंतनशील कोटिंग प्रकाश के एक छोटे से हिस्से (~ 5%) प्रेषित करने की अनुमति देता है। थोड़ा झुका Vipa की संकीर्ण प्रवेश द्वार पर ध्यान केंद्रित करते हैं, प्रकाश किरण Vipa 2 के भीतर तय चरण के अंतर के साथ उप घटकों में परिलक्षित हो जाता है। उप घटकों के बीच हस्तक्षेप आकांक्षी उच्च वर्णक्रम फैलाव को प्राप्त होता है। पार अक्ष विन्यास में क्रमिक रूप से दो VIPAs Aligning ओर्थोगोनल दिशाओं 3 में वर्णक्रम फैलाव का परिचय। ओर्थोगोनल दिशाओं में वर्णक्रम फैलाव स्थानिक यह संभव ही Brillouin संकेत लेने के लिए बनाता है, जो अवांछित crosstalk से Brillouin चोटियों अलग करती है। 1 दिखाता दो चरण Vipa स्पेक्ट्रोमीटर के एक योजनाबद्ध चित्रा। ऑप्टिकल तत्वों नीचे तीरों डिग्री का संकेतअनुवादकीय चरणों उन्मुख होना चाहिए जिसमें आजादी के REE।
चित्रा 1. वाद्य सेटअप। एक ऑप्टिकल फाइबर स्पेक्ट्रोमीटर में Brillouin बिखरने से बचाता है। एक बेलनाकार लेंस सी 1 (च = 200 मिमी) पहले Vipa (VIPA1) के प्रवेश द्वार में प्रकाश केंद्रित है। एक और बेलनाकार लेंस सी 2 (च = 200 मिमी) सी 2 के फोकल हवाई जहाज़ में एक स्थानिक जुदाई में वर्णक्रम कोणीय फैलाव नक्शे। इस विमान में एक ऊर्ध्वाधर मुखौटा स्पेक्ट्रम का इच्छित भाग का चयन करने के लिए प्रयोग किया जाता है। एक अनुरूप विन्यास 90 डिग्री पर झुका हुआ है, इस प्रकार है। बीम एक गोलाकार लेंस एस 1 (च = 200 मिमी) से होकर गुजरता है और दूसरा Vipa (VIPA2) के प्रवेश द्वार भट्ठा में ध्यान केंद्रित किया है। एक गोलाकार लेंस एस 2 (च = 200 मिमी) एक और क्षैतिज मुखौटा रखा गया है, जहां इसकी फोकल हवाई जहाज़ में दो आयामी प्रेतसंबंधी अलग पैटर्न बनाता है। होरizontal मुखौटा एक अवर्णी लेंस जोड़ी का उपयोग EMCCD कैमरे पर imaged है। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।
कुछ प्रकाशिकी शोध और बुनियादी संरेखित अनुभव के साथ एक स्नातक छात्र बनाने के लिए और इस दो चरण स्पेक्ट्रोमीटर का उपयोग करने में सक्षम होना चाहिए। स्पेक्ट्रोमीटर हाल ही में मानक ऑप्टिकल जांच की एक किस्म 3,4,5 (जैसे, confocal खुर्दबीन, एंडोस्कोप, भट्ठा दीपक नेत्रदर्शक) के साथ संगत होना करने के लिए दिखाया गया है। इधर, स्पेक्ट्रोमीटर एक confocal खुर्दबीन से जुड़ा है। लेजर प्रकाश एक 90:10 बीम फाड़नेवाला को एकीकृत करने के बाद एक मानक अनुसंधान उल्टे सिस्टम माइक्रोस्कोप में गठबंधन किया है। नमूना से backscattering प्रकाश माइक्रोस्कोप कोंफोकल कर रही है, एक एकल मोड फाइबर में युग्मित है।
Protocol
Representative Results
Discussion
इस स्पेक्ट्रोमीटर विन्यास की एक प्रमुख डिजाइन सुविधा दो चरणों में स्वतंत्र रूप से गठबंधन किया जा सकता है। प्रत्येक मंच से वर्णक्रम पैटर्न सीसीडी कैमरे पर imaged है, इसलिए है कि एक इमेजिंग प्रणाली: एक Vipa etalon ?…
Disclosures
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 |
References
- 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).
