Alta velocità sub-GHz spettrometro per l'analisi di Brillouin Scattering
Summary
Qui vi presentiamo un protocollo per costruire un rapido spettrometro Brillouin. Cascading matrice di fase praticamente ripreso (VIPA) etalon raggiungere una velocità di misura più di 1.000 volte più veloce di scansione tradizionale Fabry-Perot spettrometri. Questo miglioramento fornisce i mezzi per l'analisi Brillouin del tessuto e biomateriali a bassi livelli di potenza in vivo.
Abstract
L'obiettivo di questo protocollo è quello di costruire un alto estinzione parallelo e ad alta risoluzione Brillouin ottica spettrometro. Spettroscopia Brillouin è un metodo di misurazione senza contatto che può essere utilizzato per ottenere misure dirette delle proprietà dei materiali viscoelastico. È stato uno strumento utile nella caratterizzazione materiale, monitoraggio strutturale e rilevamento ambientale. In passato, spettroscopia Brillouin ha normalmente impiegate scansione Fabry-Perot etalon per eseguire l'analisi spettrale. Questo processo richiede molta potenza illuminazione e lunghi tempi di acquisizione, rendendo la tecnica non adatto per applicazioni biomediche. Un romanzo spettrometro recentemente introdotto supera questo problema impiegando due VIPAs in una configurazione asse trasversale. Questa innovazione consente (GHz) Risoluzione analisi spettrale-Gigahertz sub con inferiori al secondo tempo di acquisizione e la potenza di illuminazione entro i limiti di sicurezza del tessuto biologico. Le nuove applicazioni multiple facilitati da questo miglioramento sono currently fase di studio nella ricerca biologica e applicazione clinica.
Introduction
Diffusione Brillouin, descritta da Leon Brillouin 1 nel 1922, è la diffusione anelastica di luce dai modi acustici termici in un solido e dalle fluttuazioni di densità termiche in un liquido o gas. Lo spostamento spettrale della luce diffusa, di solito nella gamma sub-GHz, fornisce informazioni sull'interazione tra la luce incidente e fononi acustici nel campione. Come risultato, può fornire utili informazioni riguardanti le proprietà viscoelastiche del materiale esaminato.
Nella sua versione spontanea, Brillouin ha generalmente sezioni nell'ordine dello scattering Raman, risultando in un segnale molto debole. Inoltre, spostamenti di frequenza Brillouin sono ordini di grandezza inferiore a turni Raman. Di conseguenza, elasticamente luce diffusa (da Rayleigh o di Mie scattering), la luce diffusa, e di back-riflessioni fuori del campione può facilmente oscurare la firma spettrale di Brillouin. Quindi, Uno spettrometro Brillouin deve raggiungere non solo sub-GHz risoluzione spettrale, ma anche un elevato contrasto spettrale o estinzione.
In spettrometri Brillouin tradizionali tali specifiche sono rispettate da scansione-reticolo monocromatori, metodi di battitura ottici e, più popolarmente, scansione-pass multiplo Fabry-Perot interferometri 2. Questi metodi misurano ogni componente in sequenza spettrale. Questo approccio comporta tempi di acquisizione per un singolo spettro di Brillouin da pochi minuti a diverse ore, a seconda dello strumento e sul campione. Il VIPA spettrometro a due stadi, costruito utilizzando questo protocollo, ha la capacità di raccogliere tutte le componenti spettrali in meno di un secondo, fornendo estinzione sufficiente (> 60 dB) per sopprimere efficacemente altri segnali spuri 2.
L'integrazione dei etalon VIPA è l'elemento chiave di questo spettrometro. Un VIPA è un solido etalon con tre differenti caree oating: nella superficie anteriore, una stretta striscia di rivestimento antiriflesso permette alla luce di entrare nella VIPA, mentre il resto della superficie presenta una altamente riflettente (HR) rivestimento; nella superficie posteriore, un rivestimento parzialmente riflettente consente una piccola porzione (~ 5%) della luce da trasmettere. Quando è focalizzato sullo stretto ingresso della VIPA leggermente inclinato, il fascio di luce si riflette in sotto-componenti con differenza di fase fisso all'interno della VIPA 2. Interferenza tra i sottosistemi componenti raggiunge l'elevata dispersione spettrale aspirata. Allineamento due VIPAs sequenza in configurazione trasversale asse introduce dispersione spettrale in direzioni ortogonali 3. La dispersione spettrale in direzioni ortogonali separa spazialmente i picchi di Brillouin da crosstalk indesiderati, che permette di raccogliere solo il segnale Brillouin. Figura 1 mostra uno schema del VIPA spettrometro due stadi. Le frecce sotto gli elementi ottici indicano i gradiree di libertà in cui le fasi di traslazione devono essere orientati.
Figura 1. Configurazione strumentale. Una fibra ottica trasporta lo scattering Brillouin nello spettrometro. Una lente cilindrica C1 (f = 200 mm) focalizza la luce verso l'entrata della prima VIPA (VIPA1). Un'altra lente cilindrica C2 (f = 200 mm) mappa la dispersione angolare spettrale in una separazione spaziale nel piano focale di C2. In questo piano, una maschera verticale viene utilizzato per selezionare la parte desiderata dello spettro. Una configurazione analoga segue, inclinato di 90 gradi. Il fascio passa attraverso una lente sferica S1 (f = 200 mm) e si concentra nella fessura di ingresso del secondo VIPA (VIPA2). Una lente sferica S2 (f = 200 mm) crea il pattern spettralmente separato bidimensionale nel suo piano focale, dove si trova un'altra maschera orizzontale. Il hormaschera zontale viene esposta sulla telecamera EMCCD utilizzando una coppia lente acromatica. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Uno studente universitario con alcuni corsi ottica e esperienza di base allineamento dovrebbe essere in grado di costruire e utilizzare questa due stadi spettrometro. Lo spettrometro è stato recentemente dimostrato di essere compatibile con una varietà di sonde ottici standard 3,4,5 (ad esempio, microscopio confocale, l'endoscopio, lampada a fessura oftalmoscopio). Qui, lo spettrometro è collegato ad un microscopio confocale. La luce laser è allineato in una ricerca microscopio invertito sistema standard dopo l'integrazione di un divisore di fascio 90:10. La luce di retrodiffusione dal campione è accoppiato in fibra ottica monomodale, rendendo il confocale microscopio.
Protocol
Representative Results
Discussion
Una caratteristica fondamentale di questa configurazione spettrometro è che le due fasi possono essere allineate in modo indipendente. Quando un etalon VIPA viene fatto scorrere fuori dal percorso ottico, i rimanenti lenti della fase spettrometro formano un 1: 1 sistema di imaging, in modo che il modello spettrale da ciascuno stadio viene esposta sulla telecamera CCD. Pertanto, è semplice tornare a uno dei due stadi per migliorare le sue prestazioni senza influenzare l'allineamento del altro stadio. La serie di fa…
Declarações
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 |
Referências
- 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).
