ספקטרומטר פיזור מהיר ברילואן מגורה מכ לניתוח גשמי
Summary
אנו מתארים את בניית ספקטרומטר (CW-SBS) מהירה continuous-wave-גירוי-ברילואן-פיזור. ספקטרומטר מעסיקה בתדר יחיד דיודות-לייזר, אדי אטומי חריץ-מסנן כדי לרכוש שידור ספקטרום של דגימות עכורים/הלא-עכורים עם רזולוציה גבוהה ספקטרלי-מהירויות של עד 100-fold מהר יותר מאשר אלה של ספקטרומטרים CW-SBS הקיים. שיפור זה מאפשר ניתוח גשמי ברילואן במהירות גבוהה.
Abstract
בשנים האחרונות עדים לעליה משמעותית השימוש ספקטרומטרים ברילואן ספונטנית לניתוח ללא מגע של חומר רך, כגון פתרונות מימית, biomaterials, עם רכישת מהר פעמים. כאן, נדון ההרכבה ואת הפעולה של ספקטרומטר ברילואן המשתמשת מגורה פיזור ברילואן (SBS) כדי למדוד את מגורה ברילואן רווח (SBG) ספקטרום של השומנים והמים מבוסס-אמולסיה רקמות כמו דגימות במצב שידור עם < 10 מגה-הרץ ספקטרלי ברזולוציה, < 35 דיוק המדידה ברילואן מגה -הרץ-shift-< 100 גב ספקטרומטר מורכב משני כמעט נגד הפצת לייזרים צר-linewidth (CW) מכ-780 nm detuning תדר אשר נסרק באמצעות shift ברילואן גשמי. באמצעות מסנן חריץ אולטרה-שאיכות חם אדי רובידיום-85 וגלאי רגיש שלב, האות ל הרעש-היחס-של האות SBG מועצמת באופן משמעותי בהשוואה לזה שהושג עם ספקטרומטרים CW-SBS הקיים. שיפור זה מאפשר מדידה של SBG ספקטרה עם 100-fold עד רכישת מהר יותר פעמים, ובכך להקל גבוהה ברזולוציה ספקטרלי דיוק גבוהה ברילואן וניתוח מחומרים קלים במהירות גבוהה.
Introduction
ספקטרוסקופיה ברילואן ספונטנית הקימה, בשנים האחרונות, כמו בגישה ערך לניתוח מכאנית של חומרים רכים, כגון נוזלים, רקמות אמיתי, בפאנטומים רקמה ביולוגית תאים1,2, 3,4,5,6,7. בגישה זו, לייזר יחיד מאירה את הדגימה, אור inelastically מפוזרים מפני גלים אקוסטיים תרמי ספונטני במדיום נאסף על ידי ספקטרומטר, מתן מידע שימושי על המאפיינים viscoelastic של המדגם. הקשת ברילואן ספונטנית כוללת שתי הפסגות ברילואן סטוקס אקוסטית, סטוקס אנטי מגנטיים של החומר לשיא ריילי בתדר לייזר זרחני (עקב elastically פזורים אור). על גאומטריה backscattering ברילואן, התדרים ברילואן יוזזו על ידי מספר ג’יגה-הרץ מן התדר לייזר זרחני, יש רוחב ספקטרלי של מאות מגה-הרץ.
בזמן סריקה פאברי-פרו ספקטרומטרים כבר המערכות-של-הבחירה עבור רכישת ספונטנית ספקטרה ברילואן חומר רך1,2, ההתקדמות הטכנולוגית האחרונות ב כמעט עם תמונה מערך שלב (VIPA) ספקטרומטרים אפשרו מדידות (פחות משנייה) ברילואן מהר יותר באופן משמעותי עם נאותה ספקטרלי ברזולוציה (sub-GHz)3,4,5,6,7. פרוטוקול זה, אנו מציגים הקמת שונים, במהירות גבוהה, גבוהה ספקטרלי ברזולוציה, מדויק ברילואן ספקטרומטר המבוססת על זיהוי continuous-wave-גירוי-ברילואן-פיזור אור (CW-SBS) לבין הלא-עכורים עכורים דוגמאות בגיאומטריה פיזור כמעט האחורי.
ב CW-SBS ספקטרוסקופיה, מכ (CW) משאבת, בדיקה לייזרים, מעט detuned, תדירות, חופפים במדגם לעורר גלים אקוסטיים. כאשר ההבדל תדר בין הקורות משאבת, בדיקה תואמת של תהודה אקוסטית ספציפי של החומר, הגברה או deamplification של האות בדיקה מסופק על ידי הפסד או רווח ברילואן מגורה (SBG/ובינונית ליצירת) תהליכים, בהתאמה; אחרת, אין הגברה SBS (de) מתרחשת8,9,10,11. לפיכך, הספקטרום SBG (ובינונית ליצירת) ניתן לרכוש באמצעות סריקה לבין תדירות הלייזרים מעבר חומרים מגנטיים ברילואן וכן זיהוי העלייה (ירידה), או רווח (הפסד), בעוצמת המכשיר בשל SBS. בניגוד פיזור ברילואן ספונטנית, פיזור אלסטי רקע היא מטבעו נעדר ב SBS, הפעלת ניגודיות מצוינת ברילואן בדגימות עכורים וגם שאינם עכורים ללא הצורך ריילי דחייה מסננים כפי שנדרש VIPA ספקטרומטרים10,11,13.
אבני הבניין הראשי של ספקטרומטר CW-SBS לייזרים משאבת, בדיקה הינם הגלאי רווח/הפסד ברילואן מגורה. עבור מהירות ספקטרלי ברזולוציה גבוהה, גבוהה CW-SBS ספקטרוסקופיה, הלייזרים צריך להיות בתדר יחיד (< linewidth 10 מגה-הרץ) עם גל מספיק רחב tunability (20-30 GHz), קצב סריקה (> 200 ג’יגה-הרץ/s), תדירות יציבות לטווח ארוך (< 50 MHz/h) והרעש בעצימות נמוכה. יתר על כן, באופן ליניארי מקוטב ומוגבל עקיפה לייזר קורות עם כוחות של כמה מאות (עשרות) של mW על הדגימה נדרשים עבור קרן משאבה (בדיקה). לבסוף, הגלאי רווח/הפסד ברילואן מגורה צריך להיות מתוכנן בצורה אמינה לזהות חלש לאחור מגורה ברילואן רווח/הפסד (SBG/ובינונית ליצירת) רמות (10-5 – 10-6) חומר רך. כדי לענות על הצרכים האלה, בחרנו משוב מבוזרים (DFB) דיודת לייזר בשילוב לשמירה על-ידי קיטוב אדי סיבים יחד עם גלאי רווח/הפסד ברילואן מגורה שילוב של אולטרה-שאיכות אטומי חריץ-מסנן ותדירות גבוהה- יחיד-אפנון הנעילה מגבר כמו מאויר באיור1. ערכת זיהוי זו מכפילה את עוצמת האות SBG תוך צמצום משמעותי רעש בעוצמה בדיקה, איפה האות SBG הרצויים מוטמעים11. שימו לב כי התפקיד של אדי אטומי החריץ-המסנן בשימוש שלנו ספקטרומטר SBS תפחית באופן משמעותי את הגילוי של השתקפויות משאבת תועים לא רצויים יותר מאשר להקטין את הרקע פיזור אלסטי כמו ספקטרומטרים VIPA המאתרות את שניהם ריילי ספונטנית ו ברילואן פזורים אור. באמצעות פרוטוקול שיפורטו להלן, ספקטרומטר CW-SBS ניתן לבנות עם היכולת של רכישת שידור ספקטרום של פאנטום מים ורקמות עם רמות SBG נמוך כמו 10-6 ב < 35 דיוק המדידה ברילואן מגה -הרץ-shift ו בתוך 100 ms או פחות.
איור 1: מכ מגורה ברילואן פיזור (CW-SBS) ספקטרומטר. שני מכ משאבת, בדיקה דיודות לייזר (DL), תדירות detuned סביב משמרת ברילואן המדגם, נמצאים ביחד אל תוך שמירה על קיטוב סיבים במצב יחיד עם collimators C1 ו- C2, בהתאמה. ההבדל תדר המשאבה-בדיקה נמדד על ידי גילוי התדר מכות בין קורות קלופים מן לייזרים משאבת, בדיקה באמצעות ערכת מפצלי סיבים (סה) photodetector מהירה (FPD), מונה תדר (FC). קרן S-מקוטב בדיקה (אדום בהיר), התרחב השימוש Keplerian של שושנה קרן (L1 ו- L2), נכון מקוטב באופן מעגלי מאת צלחת רבע-גל (λ1/4), התמקד המדגם (S) על ידי עדשה אכרומטית (L3). עבור יעיל SBS האינטראקציה ובידוד אופטי, קרן משאבה (עמוק אדום), התרחב השימוש במותחן קרן Keplerian (L5 ו- L6), הוא קודם P-מקוטב באמצעות לוחית חצי-גל λ2/4), ואז מועברים באמצעות קיטוב קרן ספליטר (PBS), בסופו של דבר נשאר באופן מעגלי מקוטב מאת צלחת רבע-גל (λ2/4) ויש התמקדו הדגימה עם עדשה אכרומטית (L4; כמו L3). שים לב כי הקורות משאבת, בדיקה כמעט נגד להפיץ במדגם מקטב מונחה S (P) נעשה שימוש כדי למנוע את קרן משאבת מקוטב-P (יוצא λ1/4) להיכנס המכשיר לייזר. לצורך זיהוי הנעילה, קרן משאבת sinusoidally מאופנן fm עם אפנן אקוסטו אופטי (אום). האות SBG, בא לידי ביטוי בכינויו בעוצמה וריאציות בתדר fm (ראה שיבוץ), הוא מפוענח עםהנעילה מגבר (ליה) בעקבות גילוי פוטודיודה שטח גדול (PD). לחיסול משמעותי של משאבת תועה השתקפויות ב פוטודיודה, שאיכות של מסנן בראג (BF), מסנן חריץ אטומית (85RB) סביב הגל משאבת משמשים לצד עם איריס חסימת-אור (I). נתונים נרשם על-ידי כרטיס רכישה נתונים (DAQ) מחובר למחשב האישי (PC) לצורך ניתוח נוסף של הספקטרום ברילואן. כל מראות מתקפלות (ז1– M6) משמשים כדי להתאים את ספקטרומטר בממרח ‘× 24 ‘ 18 אנכית שנטענה על השולחן האופטי להקלה על המיקום של דגימות דומעות. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
Protocol
Representative Results
Discussion
המערכת, המוצגת באיור 1, תוכנן להיבנות על 18” x 24” בממרח שניתן להרכיבו אנכית על טבלת אופטי, הקלת השמה של דגימות דומעות. כתוצאה מכך, חשוב בחריפות כל אלמנטים אופטיים ומכניים ומסייעים להבטיח כי הקורות משאבת, בדיקה קוליניאריות, קונצנטריים עם אלמנטים שונים לפני מאירה את הדגימה בגיאומטריה …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
IR הוא מודה קרן עזריאלי על הפרס מלגת הדוקטורט.
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).
