High Speed Unter GHz-Spektrometer für Brillouin-Streuung Analysis
Summary
Hier präsentieren wir ein Protokoll, um eine schnelle Brillouin-Spektrometer zu bauen. Cascading virtuell abgebildeten Phasen-Array (VIPA) Etalons erreichen eine Messgeschwindigkeit mehr als 1.000 mal schneller als herkömmliche Scan Fabry-Perot-Spektrometer. Diese Verbesserung stellt die Mittel für die Brillouin-Analyse von Gewebe und Biomaterialien bei niedrigen Leistungspegeln in vivo.
Abstract
Das Ziel des Protokolls ist es, eine parallele hoher Extinktion und hochauflösende optische Brillouin-Spektrometer zu bauen. Brillouin-Spektroskopie ist eine berührungslose Messverfahren, die verwendet werden kann, um direkte Auslesen der viskoelastischen Materialeigenschaften zu erhalten. Es ist ein nützliches Werkzeug in der Materialcharakterisierung, Strukturüberwachung und Umweltanalytik. In der Vergangenheit hat die Brillouin-Spektroskopie üblicherweise verwendeten Scan Fabry-Perot-Etalons zur Spektralanalyse durchzuführen. Dieser Prozess erfordert hohe Lichtleistung und lange Akquisitionszeiten, so dass die Technik für biomedizinische Anwendungen ungeeignet. Ein kürzlich vorgestellten neuen Spektrometers überwindet diese Herausforderung, indem zwei Vipas in einer Querachsenkonfiguration. Diese Innovation ermöglicht es Unter Gigahertz (GHz) Auflösung Spektralanalyse mit Sub-Sekunden Aufnahmezeit und Beleuchtungsleistung innerhalb der Sicherheitsgrenzen von biologischem Gewebe. Die mehrfachen neuen Anwendungen von dieser Verbesserung erleichtert sind currently in der biologischen Forschung und klinischer Anwendung erforscht.
Introduction
Brillouin-Streuung, die zuerst von Leon Brillouin 1 1922 beschrieben, ist die unelastische Streuung von Licht aus der thermischen akustischen Moden in einer festen und aus den thermischen Dichteschwankungen in einer Flüssigkeit oder einem Gas. Die Spektralverschiebung des gestreuten Lichts, in der Regel in der Sub-GHz-Bereich, stellt Informationen über die Wechselwirkung zwischen dem einfallenden Licht und den akustischen Phononen in der Probe. Als Ergebnis kann nützliche Informationen hinsichtlich der viskoelastischen Eigenschaften des untersuchten Materials.
In seiner spontanen Version weist Brillouin-Streuung im allgemeinen Querschnitte in der Grßenordnung von Raman-Streuung, was in einem sehr schwachen Signal. Zusätzlich Brillouin-Frequenzverschiebungen sind um Größenordnungen kleiner als die Raman-Verschiebungen. Als Folge davon elastisch gestreute Licht (von Rayleigh und Mie-Streuung), Streulicht, und Back-Reflexionen an der Probe kann alle leicht überschatten die Brillouin spektrale Signatur. DaherMuss ein Brillouin-Spektrometer, um nicht nur zu erreichen Sub-GHz spektrale Auflösung, sondern auch hohe spektrale Kontrast oder vom Aussterben bedroht.
In traditionellen Brillouin Spektrometer diese Anforderungen von Raster Gittermonochromatoren optische schlagMethoden und am populärsten, Mehrfachabtastung Fabry-Perot-Interferometer 2 erfüllt. Diese Methoden messen jede spektrale Komponente der Reihe nach. Dieser Ansatz führt zu Erfassungszeiten für einzelne Brillouin Spektrum im Bereich von wenigen Minuten bis zu mehreren Stunden in Abhängigkeit von dem Gerät und auf der Probe. Das zweistufige VIPA Spektrometer aufgebaut unter Verwendung dieses Protokolls, hat die Fähigkeit, alle Spektralkomponenten innerhalb von weniger als einer Sekunde zu sammeln, während eine ausreichende Extinktion (> 60 dB) zu anderen Störsignalen 2 wirksam zu unterdrücken.
Die Integration der VIPA Etalons ist das Schlüsselelement dieses Spektrometers. Ein VIPA ist ein solides Etalon mit drei verschiedenen cFloating-Bereichen: in der vorderen Oberfläche, ermöglicht eine enge Antireflexbeschichtung Streifen das Licht, um das VIPA geben, während der Rest der Oberfläche verfügt über eine hochreflektierende (HR) Beschichtung; in der hinteren Fläche ermöglicht eine teilweise reflektierende Beschichtung ein kleiner Teil (ca. 5%) des Lichts zu übertragen sind. Wenn auf den schmalen Eingang des leicht geneigten VIPA fokussiert, wird der Lichtstrahl in Teilkomponenten mit festen Phasendifferenz innerhalb des VIPA 2 reflektiert. Interferenzen zwischen den Teilkomponenten erreicht die angestrebte hohe spektrale Dispersion. Sequentielles Ausrichten von zwei Vipas in Querachsenkonfiguration stellt spektrale Zerlegung in orthogonalen Richtungen 3. Die spektrale Dispersion in orthogonalen Richtungen räumlich trennt die Brillouin-Peaks vor unerwünschten Übersprechen, das es ermöglicht, holen nur die Brillouin-Signals ermöglicht. Abbildung 1 zeigt eine schematische Darstellung des zweistufigen VIPA-Spektrometer. Die Pfeile unterhalb der optischen Elemente zeigen die DEGreie Freiheits in dem die Translationsstufen orientiert werden sollte.
Abbildung 1. Instrumental-Setup. Eine optische Faser liefert die Brillouin-Streuung in das Spektrometer. Eine zylindrische Linse C1 (f = 200 mm) fokussiert das Licht in den Eingang des ersten VIPA (VIPA1). Eine weitere zylindrische Linse C2 (f = 200 mm) bildet die spektrale Winkeldispersion in eine räumliche Trennung in der Brennebene der C2. In dieser Ebene wird eine vertikale Maske verwendet, um den gewünschten Teil des Spektrums auszuwählen. Eine analoge Konfiguration folgt, bei 90 Grad geneigt ist. Der Strahl durch eine sphärische Linse S1 (f = 200 mm) und wird in den Eingangsschlitz des zweiten VIPA (VIPA2) konzentriert. Eine sphärische Linse S2 (f = 200 mm) erzeugt die zweidimensionale spektral getrennten Muster in ihrer Brennebene, wo eine andere horizontale Maske platziert ist. Die horrechten Maske wird auf das EMCCD Kamera über eine achromatische Linsenpaar abgebildet. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Ein Bachelor-Student mit einigen Optik Kursarbeit und Grund Ausrichten Erfahrungen sollten in der Lage zu bauen und benutzen Sie diesen zweistufigen Spektrometer sein. Das Spektrometer wurde kürzlich gezeigt, mit einer Vielzahl von optischen Standard-Sonden 3,4,5 (zB Konfokalmikroskop Endoskop Spaltlampen Ophthalmoskop) kompatibel zu sein. Hier ist das Spektrometer mit einem konfokalen Mikroskop verbunden ist. Das Laserlicht wird, nachdem die Integration eines 90:10 Strahlteiler in einen Standardforschungs invertierten Mikroskopsystem ausgerichtet ist. Die Rückstreuung von Licht von der Probe wird in einer Einmodenfaser gekoppelt ist, so dass das Mikroskop konfokalen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ein wesentliches Konstruktionsmerkmal dieses Spektrometers Konfiguration ist, dass die beiden Stufen unabhängig ausgerichtet werden. Wenn ein VIPA Etalon wird aus dem optischen Weg geschoben, werden die restlichen Linsen des Spektrometers Stufe bilden ein 1: 1-Abbildungssystem, so dass die spektrale Muster von jeder Stufe wird auf die CCD-Kamera abgebildet. Daher ist es einfach, wieder auf eine der beiden Stufen zu gehen, um seine Leistung, ohne die Ausrichtung der anderen Stufe zu verbessern. Die Menge der Translation…
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
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