عالية السرعة كونتينووسوافي برلين حفز نثر مطياف لتحليل المواد
Summary
يصف لنا بناء مطياف (CW-SBS) continuous-وافي-حفز-برلين-نثر السريع. والمطياف يستخدم صمام ثنائي التردد الواحد-أشعة الليزر وعامل تصفية الشق بخار الذري للحصول على الأطياف نقل العينات عكر/غير-عكر مع الاستبانة الطيفية عالية في سرعات تصل إلى معززات أسرع من تلك القائمة CW SBS مطيافات. هذا التحسن يمكن تحليل المواد بريلوين عالية السرعة.
Abstract
وقد شهدت السنوات الأخيرة زيادة كبيرة في استخدام مطيافات برلين العفوية لعدم الاتصال تحليل المسألة لينة، مثل المحاليل والمواد الحيوية، مع أوقات اكتساب سريع. هنا، نحن مناقشة الجمعية العامة وحفز العملية برلين مطياف يستخدم نثر برلين (SBS) لقياس أطياف مكسب (SBG) برلين حفزت المياه والدهون على أساس مستحلب مثل الأنسجة العينات في وضع الإرسال مع < 10 ميجا هرتز الاستبانة الطيفية و < ميغاهرتز برلين–تحول 35 قياس الدقة في < السيدة 100 والمطياف يتكون من اثنين تقريبا مكافحة نشر كونتينووسوافي الليزر الضيقة-لينيويدث (CW) في 780 نانومتر detuning التردد الذي يتم فحصه من خلال المواد بريلوين التحول. باستخدام عامل تصفية الشق ساخنة روبيديوم 85 بخار ضيق جداً وكشف المرحلة الحساسة، والإشارة-إلى-الضوضاء-نسبة إشارة SBG يتعزز كثيرا مقارنة بالحصول عليها مع القائمة CW SBS مطيافات. وهذا التحسن يمكن قياس الأطياف SBG مع 100-fold يصل إلى اقتناء أسرع الأوقات، مما يسهل تحليل برلين عالية الاستبانة الطيفية وعالية الدقة من مواد لينة بسرعة عالية.
Introduction
عفوية التحليل الطيفي برلين قد أنشئت، في السنوات الأخيرة، كنهج قيماً للتحليل الميكانيكي للمواد اللينة، مثل السوائل، خلايا الأنسجة الحقيقية وأشباح الأنسجة البيولوجية21،، 3،،من45،،من67. في هذا النهج، ينير ليزر واحد العينة والخفيفة التي إينيلاستيكالي المنتشرة من الموجات الصوتية الحرارية عفوية في الأجلين المتوسط ويتم تجميع بواسطة مطياف، توفير معلومات مفيدة عن خصائص العينة لزج مطاطي. ويشمل الطيف برلين عفوية اثنين من قمم برلين ستوكس الصوتية والاصداء ستوكس المضادة المواد، وذروة رايليغ في تواتر الليزر المضيئة (بسبب الضوء المتناثرة الاستيكالي). لهندسة باكسكاتيرينج برلين، برلين الترددات يتم إزاحة بواسطة عدة غيغاهرتز من تواتر الليزر المضيئة والعرض الطيفي لمئات ميغاهيرتز.
بينما المسح مطيافات فابري-بيرو قد النظم اختيار الحصول على الأطياف بريلوين عفوية في المسألة لينة1،2، التطورات التكنولوجية الحديثة في تصويرها تقريبا المرحلة الصفيف (تشرف) وقد مكنت مطيافات القياسات (الفرعية الثانية) برلين أسرع بشكل ملحوظ مع كافية-الاستبانة الطيفية (sub-GHz)3،،من45،،من67. في هذا البروتوكول، نقدم بناء مختلفة، عالية السرعة، عالية الاستبانة الطيفية، ودقة برلين مطياف استناداً إلى الكشف عن الضوء (CW-SBS) continuous-وافي-حفز-برلين-نثر من غير عكره وعكر عينات في هندسة نثر قرابة الظهر.
في الأسلحة الكيميائية-SBS التحليل الطيفي، تتداخل كونتينووسوافي (CW) مضخة، ومسبار الليزر، detuned قليلاً في التردد، في عينة لحفز الموجات الصوتية. عندما تطابق تردد الفرق بين الحزم مضخة ومسبار صدى صوتية محددة المواد، التضخيم أو ديمبليفيكيشن من إشارة مسبار يتم توفيرها من قبل حفز بريلوين مكاسب أو خسائر العمليات (SBG/SBL)، على التوالي؛ وبخلاف ذلك، يحدث أي تضخيم SBS (de)8،9،،من1011. وهكذا، طيف SBG (SBL) يمكن اكتسابها من خلال مسح تردد الفرق بين الليزر عبر الأصداء برلين المادية والكشف عن الزيادة (النقصان)، أو الحصول (خسارة)، في كثافة التحقيق سبب SBS. خلافا في عفوية ونثر برلين، خلفية نثر مطاطا غائب أصلاً في SBS، تمكين التباين برلين ممتازة في عينات غير عكر عكر والخاص على حد سواء دون أي حاجة إلى مرشحات رفض رايليغ تشرف المطلوبة في مطيافات10،،من1113.
هي اللبنات الرئيسية من مطياف CW SBS الليزر مضخة والتحقيق وكشف برلين تحفز على الربح/الخسارة. للتحليل الطيفي عالية الاستبانة الطيفية، وارتفاع سرعة CW SBS، الليزر يجب أن تكون أحادية التردد (< لينيويدث 10 ميجاهرتز) مع ألواح واسعة بما فيه الكفاية للطول الموجي (20-30 GHz) ومعدل المسح الضوئي (> 200 جيجا هرتز/s)، الاستقرار الطويل الأمد في التردد (< 50 MHz/h) وكثافة منخفضة الضوضاء. وعلاوة على ذلك، أشعة الليزر مستقطبة خطيا وحيود محدودة مع سلطات مئات قليلة (عشرات) مطلوبة من أجل شعاع مضخة (المسبار) ميغاواط في العينة. وأخيراً، ينبغي تصميم كاشف بريلوين تحفز على الربح/الخسارة موثوق بها الكشف عن ضعف الخلف حفز بريلوين الربح/الخسارة (SBG/SBL) مستويات (10-5 -10-6) في المسألة الناعمة. ولتلبية هذه الاحتياجات، اخترنا ليزر صمام ثنائي التغذية المرتدة الموزعة (الاتحاد الألماني) بالإضافة إلى الحفاظ على الاستقطاب الألياف جنبا إلى جنب مع جهاز كشف الربح/خسارة برلين حفز الجمع ذرية الترا-ضيق بخار تصفية الشق وعالية تردد تعديل واحد قفل في مكبر للصوت كما هو موضح في الشكل 1. الزوجي هذا النظام الكشف عن كثافة إشارة SBG بينما إلى حد كبير الحد من الضوضاء في كثافة التحقيق، حيث إشارة SBG المطلوب هو مضمن11. لاحظ أن دور تصفية الشق بخار الذرية المستخدمة في مطياف SBS لدينا هو أن تقلل إلى حد كبير في الكشف عن تأملات مضخة طائشة غير المرغوب فيها بدلاً من انخفاض نثر مطاطا الخلفية كما هو الحال في مطيافات تشرف بالكشف عن كل رايليغ عفوية وبرلين متناثرة الضوء. استخدام البروتوكول بالتفصيل أدناه، يمكن بناؤها مطياف CW SBS مع القدرة على الحصول على انتقال أطياف أشباح الماء ونسيج مع SBG مستويات منخفضة تصل إلى 10-6 في < 35 ميغاهرتز برلين–تحول قياس الدقة و ضمن 100 مللي ثانية أو أقل.
رقم 1: كونتينووسوافي وحفز مطياف نثر (CW-SBS) برلين- تقترن اثنين كونتينووسوافي المضخة ومسبار صمام ثنائي ليزر (DL)، التردد detuned حول التحول في برلين العينة، إلى الحفاظ على الاستقطاب الألياف طريقة واحدة مع كوليماتورس جيم1 وجيم2، على التوالي. يتم قياس الفرق تردد المضخة-التحقيق عن طريق الكشف عن تكرار الفوز بين الحزم مقشرة من الليزر مضخة والتحقيق باستخدام مجموعة من الألياف شق (خ)، سرعة فوتوديتيكتور (FPD) وعداد تردد (FC). توسيع استخدام كيبليريان شعاع المتوسع (ل1 ول2)، حق دائري الاستقطاب بصفيحة ربع الموجه (λ14) شعاع مسبار الاستقطاب S (أحمر فاتح)، وركز على العينة (S) بعدسة achromatic (م3). SBS التفاعل الفعال وعزل البصري، شعاع مضخة (الأحمر العميق) وتوسيع نطاق استخدام موسع شعاع كيبليريان (ل5 وم6)، أول الأقطاب ف استخدام لوحة النصف موجه λ24)، ثم تنتقل من خلال استقطاب شعاع الخائن (PBS)، وأخيراً تركت دائري الاستقطاب بصفيحة ربع الموجه (λ24) وركزت على العينة مع عدسة achromatic (ل4؛ نفس ل3). ملاحظة أن عوارض مضخة ومسبار تقريبا مكافحة نشر في العينة وأن الليزر المستقطب المنحى S (P) واستخدمت للحيلولة دون دخول المسبار شعاع مضخة الاستقطاب P (الخروج من λ14). لقفل في الكشف، وشعاع مضخة هو التضمين سينوسويدالي fm مع المغير أكوستو ضوئية (أوم). إشارة SBG، يتبدى تغيرات كثافة في التردد fm (انظر الإطار الداخلي)، هو المسترجعة معقفل في مكبر للصوت (ليا) بعد الكشف عن مساحة كبيرة الضوئي (PD). كبير القضاء على تأملات مضخة الضآلة في الضوئي، تستخدم النطاق ضيق براج عامل تصفية (BF) وعامل تصفية الشق الذري (85م ع) حول الطول الموجي مضخة جنبا إلى جنب مع آيريس حجب الضوء (ط). ببطاقة اكتساب بيانات (دق) متصلة بجهاز كمبيوتر شخصي (PC) تسجيل البيانات لمزيد من تحليل الطيف بريلوين. وتستخدم جميع مرايا قابلة للطي (م1-M6) لتلائم والمطياف التوصيل ” × 24 ” 18 التي شنت عمودياً على الجدول الضوئية لتسهيل وضع عينات مائي. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
Protocol
Representative Results
Discussion
تم تصميم النظام، هو مبين في الشكل 1، أن يكون مبنيا على ” 18 x 24 إنش التوصيل التي يمكن تركيبها عمودياً على طاولة بصرية، تيسير إيداع عينات مائي. كنتيجة لذلك، من المهم بشدة تشديد جميع العناصر البصرية والميكانيكية والتأكد من وجود عوارض مضخة ومسبار تربطها علاقة خطية متداخلة ومتحدة مع ال?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
الأشعة تحت الحمراء تشعر بالامتنان لمؤسسة ازريلي لمنح زمالة درجة الدكتوراه.
Materials
| Probe diode laser head and controller | Toptica Photonics | SYST DL-100-DFB | Quantity: 1 |
| Pump amplified diode laser and controller | Toptica Photonics | SYST TA-pro-DFB | Quantity: 1 |
| FC/APC fiber dock | Toptica Photonics | FiberDock | Quantity: 3 |
| High power single mode polarization maintaining FC/APC fiber patchcord | Toptica Photonics | OE-000796 | Quantity: 1 |
| FC/APC fiber collimation with adjustable collimation optics | Toptica Photonics | FiberOut | Quantity: 1 |
| FC/APC fiber fixed collimator | OZ Optics | HPUCO-33A-780-P-6.1-AS | Quantity: 1 |
| Single mode polarization maintaining fiber splitter 33:67 | OZ Optics | FOBS-12P-111-4/125-PPP-780-67/33-40-3A3A3A-3-1 | Quantity: 1 |
| Single mode polarization maintaining fiber splitter 50:50 | OZ Optics | FOBS-12P-111-4/125-PPP-780-50/50-40-3S3A3A-3-1 | Quantity: 1 |
| f=25 mm, Ø1/2" Achromatic Doublet, SM05-Threaded Mount, ARC: 650-1050 nm | Thorlabs | AC127-025-B-ML | Quantity: 1 |
| f=30 mm, Ø1" Achromatic Doublet, SM1-Threaded Mount, ARC: 650-1050 nm | Thorlabs | AC254-30-B-ML | Quantity: 2 |
| f=50 mm, Ø1" Achromatic Doublet, SM1-Threaded Mount, ARC: 650-1050 nm | Thorlabs | AC254-50-B-ML | Quantity: 1 |
| f=100 mm, Ø1" Achromatic Doublet, SM1-Threaded Mount, ARC: 650-1050 nm | Thorlabs | AC254-100-B-ML | Quantity: 1 |
| f=200 mm, Ø1" Achromatic Doublet, SM1-Threaded Mount, ARC: 650-1050 nm | Thorlabs | AC254-200-B-ML | Quantity: 1 |
| Ø1/2" Broadband Dielectric Mirror, 750-1100 nm | Thorlabs | BB05-E03 | Quantity: 4 |
| Ø1" Broadband Dielectric Mirror, 750-1100 nm | Thorlabs | BB1-E03 | Quantity: 2 |
| 1" Polarizing beamsplitter cube, 780 nm | Thorlabs | PBS25-780 | Quantity: 1 |
| Ø1" Linear polarizer with N-BK7 protective windows, 600-1100 nm | Thorlabs | LPNIRE100-B | Quantity: 1 |
| Shearing Interferometer with a 1-3 mm Beam Diameter Shear Plate | Thorlabs | SI035 | Quantity: 1 |
| 6-Axis Locking kinematic optic mount | Thorlabs | K6XS | Quantity: 4 |
| Compact five-axis platform | Thorlabs | PY005 | Quantity: 1 |
| Pedestal mounting adapter for 5-axis platform | Thorlabs | PY005A2 | Quantity: 1 |
| Polaris low drift Ø1/2" kinematic mirror mount, 3 adjusters | Thorlabs | POLARIS-K05 | Quantity: 4 |
| Lens mount for Ø1" optics | Thorlabs | LMR1 | Quantity: 5 |
| Adapter with external SM1 threads and Internal SM05 threads, 0.40" thick | Thorlabs | SM1A6T | Quantity: 1 |
| Rotation mount for Ø1" optics | Thorlabs | RSP1 | Quantity: 2 |
| 1" Kinematic prism mount | Thorlabs | KM100PM | Quantity: 1 |
| Graduated ring-activated SM1 iris diaphragm | Thorlabs | SM1D12C | Quantity: 1 |
| Post-mounted iris diaphragm, Ø12.0 mm max aperture | Thorlabs | ID12 | Quantity: 2 |
| 1/2" translation stage with standard micrometer | Thorlabs | MT1 | Quantity: 3 |
| Ø1" Pedestal pillar post, 8-32 taps, L = 1" | Thorlabs | RS1P8E | Quantity: 1 |
| Ø1" Pedestal pillar post, 8-32 taps, L = 1.5" | Thorlabs | RS1.5P8E | Quantity: 2 |
| Ø1" Pedestal pillar post, 8-32 taps, L = 2" | Thorlabs | RS2P8E | Quantity: 4 |
| Ø1" Pedestal pillar post, 8-32 taps, L = 2.5" | Thorlabs | RS2.5P8E | Quantity: 1 |
| Ø1" Pedestal pillar post, 8-32 taps, L = 3" | Thorlabs | RS3P8E | Quantity: 4 |
| Short clamping fork | Thorlabs | CF125 | Quantity: 12 |
| Mounting base | Thorlabs | BA1S | Quantity: 8 |
| Large V-Clamp with PM4 Clamping Arm, 2.5" Long, Imperial | Thorlabs | VC3C | Quantity: 1 |
| Ø1/2" Post holder, spring-loaded hex-locking thumbscrew, L = 1" | Thorlabs | PH1 | Quantity: 2 |
| Ø1/2" Post holder, spring-loaded hex-locking thumbscrew, L = 1.5" | Thorlabs | PH1.5 | Quantity: 2 |
| Ø1/2" Post holder, spring-loaded hex-locking thumbscrew, L = 2" | Thorlabs | PH2 | Quantity: 6 |
| Ø1/2" Optical post, SS, 8-32 setscrew, 1/4"-20 tap, L = 1" | Thorlabs | TR1 | Quantity: 2 |
| Ø1/2" Optical post, SS, 8-32 setscrew, 1/4"-20 tap, L = 1.5" | Thorlabs | TR1.5 | Quantity: 2 |
| Ø1/2" Optical post, SS, 8-32 setscrew, 1/4"-20 tap, L = 2" | Thorlabs | TR2 | Quantity: 6 |
| Aluminum breadboard 18" x 24" x 1/2", 1/4"-20 taps | Thorlabs | MB1824 | Quantity: 1 |
| 12" Vertical bracket for breadboards, 1/4"-20 holes, 1 piece | Thorlabs | VB01 | Quantity: 2 |
| Si photodiode, 40 ns Rise time, 400 – 1100 nm, 10 mm x 10 mm active area | Thorlabs | FDS1010 | Quantity: 1 |
| Waveplate, zero order, 1/4 wave 780nm | Tower Optics | Z-17.5-A-.250-B-780 | Quantity: 2 |
| Waveplate, zero order, 1/2 wave 780nm | Tower Optics | Z-17.5-A-.500-B-780 | Quantity: 1 |
| Fiber coupled ultra high speed photodetector | Newport | 1434 | Quantity: 1 |
| Gimbal optical miror mount | Newport | U100-G2H ULTIMA | Quantity: 3 |
| linear stage with 25 mm travel range | Newport | M-423 | Quantity: 1 |
| Lockable differential micrometer, 25 mm coarse, 0.2 mm fine,11 lb. load | Newport | DM-25L | Quantity: 1 |
| XYZ Motor linear stage | Applied Scientific Instrumentation | LS-50 | Quantity: 3 |
| Stage controller | Applied Scientific Instrumentation | MS-2000 | Quantity: 1 |
| Sample holder | Home made | Custom | Quantity: 1 |
| Rubidium 85 Fused Silica spectroscopy cell with flat AR-coated windows, 150 mm length, 25mm diameter | Photonics Technologies | SC-RB85-25×150-Q-AR | Quantity: 1 |
| Thermally conductive pad 300 mm x 300 mm | BERGQUIST | Q3AC 300MMX300MM SHEET | Quantity: 1 |
| Heat tape 0.15 mm x 2.5 mm x 5 m, 4.29 W/m | KANTHAL | 8908271 | Quantity: 1 |
| Polytetrafluoroethylene tape 1/2'' x 12 m | Teflon tape | R.G.D | Quantity: 1 |
| Reflecting Bragg grating bandpass filter | OptiGrate | SPC-780 | Quantity: 1 |
| High frequncy aousto optic modulator | Gooch and Housego | 15210 | Quantity: 1 |
| Aousto optic modulator RF driver, frequncy: 210 MHz | Gooch and Housego | MHP210-1ADS2-A1 | Quantity: 1 |
| High frequncy lock-in amplifier | Stanford Research Systems | SR844 | Quantity: 1 |
| Frequency counter | Phase Matrix | EIP 578B | Quantity: 1 |
| Arbitrary function Generator | Tektronix | AFG2021 | Quantity: 2 |
| Data acquisition (DAQ) module | National Instruments | NI USB-6212 BNC | Quantity: 1 |
| Data acquisition (DAQ) software | National Instruments | LabVIEW 2014 | Quantity: 1 |
| Regulated DC power supply dual 0-30V 5A | MEILI | MCH-305D-ii | Quantity: 1 |
| Thermocouple | MRC | TP-01 | Quantity: 1 |
| Thermometer | MRC | TM-5007 | Quantity: 1 |
| Coaxial low pass filter DC-1.9 MHz | Mini Circuits | BLP-1.9+ | Quantity: 1 |
| 20% lipid-emulsion | Sigma-Aldrich | I141-100ml | Quantity: 1 |
| 24×40 mm cover glass thick:3 # | Menzel Glaser | 150285 | Quantity: 1 |
| Computational software | MathWorks | MATLAB 2015a |
References
- Koski, K. J., Akhenblit, P., McKiernan, K., Yarger, J. L. Non-invasive determination of the complete elastic moduli of spider silks. Nat. Mater. 12 (3), 262-267 (2013).
- Palombo, F., Madami, M., Stone, N., Fioretto, D. Mechanical mapping with chemical specificity by confocal Brillouin and Raman microscopy. Analyst. 139 (4), 729-733 (2014).
- Scarcelli, G., Yun, S. H. In vivo Brillouin optical microscopy of the human eye. Opt. Exp. 20 (8), 9197-9202 (2012).
- Scarcelli, G., et al. Noncontact three-dimensional mapping of intracellular hydromechanical properties by Brillouin microscopy. Nat. Methods. 12 (12), 1132-1134 (2015).
- Traverso, A. J., Thompson, J. V., Steelman, Z. A., Meng, Z., Scully, M. O., Yakovlev, V. V. Dual Raman-Brillouin microscope for chemical and mechanical characterization and imaging. Anal. Chem. 87 (15), 7519-7523 (2015).
- Antonacci, G., Foreman, M. R., Paterson, C., Török, P. Spectral broadening in Brillouin imaging. Appl. Phys. Lett. 103 (22), 221105 (2013).
- Antonacci, G., et al. Quantification of plaque stiffness by Brillouin microscopy in experimental thin cap fibroatheroma. J. R. Soc. Interface. 12 (112), 20150483 (2015).
- Grubbs, W. T., MacPhail, R. A. High resolution stimulated Brillouin gain spectrometer. Rev. Sci. Instrum. 65 (1), 34-41 (1994).
- Ballmann, C. W., Thompson, J. V., Traverso, A. J., Meng, Z., Scully, M. O., Yakovlev, V. V. Stimulated Brillouin scattering microscopic imaging. Sci Rep. 5, 18139 (2015).
- Remer, I., Bilenca, A. Background-free Brillouin spectroscopy in scattering media at 780 nm via stimulated Brillouin scattering. Opt. Lett. 41 (5), 926-929 (2016).
- Remer, I., Bilenca, A. High-speed stimulated Brillouin scattering spectroscopy at 780 nm. APL Photonics. 1 (6), 061301 (2016).
- She, C. Y., Moosmüller, H., Herring, G. C. Coherent light scattering spectroscopy for supersonic flow measurements. Appl. Phys. B-Lasers O. 46 (4), 283-297 (1988).
- Fiore, A., Zhang, j., Peng Shao, ., Yun, S. H., Scarcelli, G. High-extinction virtually imaged phased array-based Brillouin spectroscopy of turbid biological media. Appl. Phys. Lett. 108 (20), 203701 (2016).
