Summary

High Speed ​​Under GHz Spectrometer for Brillouin Spredning Analysis

Published: December 22, 2015
doi:

Summary

Her presenterer vi en protokoll for å bygge en rask Brillouin spektrometer. Cascading nesten avbildes fase array (Vipa) etalons oppnå en måling hastighet mer enn 1000 ganger raskere enn tradisjonelle skanning Fabry-Perot spektrometre. Denne forbedringen som sørger for Brillouin analyse av vev og biomaterialer ved lave effektnivåer in vivo.

Abstract

Målet med denne protokollen er å bygge en parallell høy utryddelse og høyoppløselig optisk Brillouin spektrometer. Brillouin spektroskopi er en ikke-kontakt måling metode som kan brukes for å oppnå direkte avlesning av viskoelastisk materialegenskaper. Det har vært et nyttig verktøy i materialkarakterisering, strukturelle overvåking og miljø sensing. I det siste har Brillouin spek vanligvis ansatt skanning Fabry-Perot etalons å utføre spektralanalyse. Denne prosessen krever høy effekt og belysning lange innhentingstider, noe som gjør teknikken uegnet for biomedisinske anvendelser. En nylig innført roman spektrometer seirer denne utfordringen ved å ansette to VIPAs i et kryss-aksen konfigurasjon. Denne innovasjonen gir sub-gigahertz (GHz) oppløsning spektralanalyse med under andre oppkjøp tid og belysning makt innenfor grensene sikkerhetskravene i biologisk vev. De mange nye applikasjoner tilrettelagt av denne forbedringen er currently blir utforsket i biologisk forskning og klinisk anvendelse.

Introduction

Brillouin-spredning, først beskrevet av Leon Brillouin 1 i 1922, er uelastisk spredning av lys fra de termiske akustiske modi i en solid og fra de varme tetthetsvariasjoner i en væske eller gass. Den spektrale forskyvning av spredt lys, vanligvis i under GHz-serien, gir informasjon om samspillet mellom den innfallende lyset og de akustiske fononer i utvalget. Som et resultat, kan det gi nyttig informasjon om de viskoelastiske egenskapene til det undersøkte materiale.

I sin spontane versjon, har Brillouin-spredning generelt tverrsnitt i størrelsesorden Raman-spredning, som resulterer i et meget svakt signal. I tillegg Brillouin frekvens skift er størrelsesordener mindre enn Raman skift. Som en konsekvens, elastisk spredt lys (fra Rayleigh eller Mie-spredning), strølys, og tilbake-refleksjoner ut av prøven kan lett overskygge Brillouin spektrale signaturen. Derav, Trenger en Brillouin spektrometer å ikke bare oppnå sub-GHz spektral oppløsning, men også høy spektral kontrast eller utryddelse.

I tradisjonelle Brillouin spektrometre disse kravene er oppfylt ved skanning-grating monokromatorer, optiske juling metoder, og, mest populært, multiple-pass skanning Fabry-Perot Interferometre 2. Disse metodene måle hver spektralkomponent sekvensielt. Denne fremgangsmåten fører til innhentingstider for en enkelt Brillouin spektrum som strekker seg fra noen få minutter til flere timer, avhengig av apparatet og på prøven. Den to-trinns VIPA spektrometer, bygget ved hjelp av denne protokollen, har evnen til å samle alle de spektrale komponentene i løpet av mindre enn et sekund og samtidig gi tilstrekkelig ekstinksjon (> 60 dB) til effektivt å undertrykke andre uønskede signaler 2.

Integrasjonen av Vipa etalons er det sentrale element i denne spektrometer. En VIPA er et solid etalon med tre forskjellige cytende områder: i front, en smal antirefleksbelegg stripe gjør at lys inn i VIPA, mens resten av overflaten har en svært reflekterende (HR) belegg; på den bakre overflate, gjør det mulig for en delvis reflekterende belegg en liten del (~ 5%) av det lys som skal overføres. Når fokusert på den smale inngangen til litt på skrå VIPA, blir lysstrålen reflekteres i delkomponenter med fast fase forskjell i VIPA to. Interferens mellom underkomponentene oppnår håpet høy spektral spredning. Samkjøre to VIPAs sekvensielt i tverrakse konfigurasjon introduserer spektral spredning i ortogonale retninger 3. Den spektrale dispersjon i ortogonale retninger romlig skiller Brillouin topper fra uønsket krysstale, som gjør det mulig å plukke opp bare Brillouin signal. Figur 1 viser en skjematisk fremstilling av de to trinns VIPA spektrometer. Pilene under de optiske elementene indikerer graderree av frihet der translasjonsforskning stadier bør være orientert.

Figur 1
Figur 1. Instrumental oppsett. En optisk fiber leverer Brillouin spredning i spektrometeret. En sylindrisk linse C1 (f = 200 mm) fokuserer lyset inn i inngangen til den første VIPA (VIPA1). En annen sylindrisk linse C2 (f = 200 mm) tilordner den spektrale vinkel dispersjonen inn i en romlig atskillelse i fokalplanet for C2. I dette plan er en vertikal maske som brukes for å velge den ønskede delen av spekteret. En analog konfigurasjon følger, skråstilt i 90 grader. Strålen passerer gjennom et sfærisk linse S1 (f = 200 mm) og er fokusert inn i inngangen av den andre slissen VIPA (VIPA2). En sfærisk linse S2 (f = 200 mm) oppretter den todimensjonale spektralt adskilt mønster i sitt midtplan, hvor en annen horisontal masken er plassert. Den horizontal masken er avbildet på EMCCD kameraet ved hjelp av en akromatisk linseparet. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

En lavere student med litt optikk kurs og enkel justering erfaring bør være i stand til å bygge og bruke denne to-trinns spektrometer. Spektrometeret har nylig blitt vist å være forenlig med en rekke standard optiske sonder 3,4,5 (f.eks konfokalt mikroskop, endoskop, slit-lampe oftalmoskop). Her blir spektrometer koblet til et konfokalt mikroskop. Laserlyset blir justert til en standard invertert forskningssystem mikroskop etter å integrere en 90:10 strålesplitter. Den tilbakespredning lys fra prøven er koplet til en enkeltmodus-fiber, noe som gjør det konfokale mikroskop.

Protocol

Merk: Brillouin spektralanalyse krever en enkelt langsgående modus-laser (~ 10 mW ved prøven). For å samkjøre formål, bruk en sterkt svekket del av denne laserstråle (<0,1 mW). 1. Første oppsett av Fiber og EMCCD (Electron multiplisert Charge Coupled Device) Kamera Identifisere omtrent 1600 mm fri innrettings plass for spektrometeret på et optisk bord. Monter EMCCD kamera på slutten av gratis samkjøre plass. Bruk justeringsskruene for å feste kameraet til…

Representative Results

Figur 3 viser representative Brillouin-spektra og de ​​passer for forskjellige materialer. De VIPAs begge har en tykkelse på 5 mm som resulterer i en FSR på omtrent 20 GHz. Integrasjonstiden for disse målingene var 100 msek. 100 målinger ble tatt og et gjennomsnitt av. En kalibrering målingen ble tatt før anskaffe spektra. Figur 3. Brillouin Sp…

Discussion

Et viktig konstruksjonstrekk ved dette spektrometer konfigurasjonen er at de to trinn kan justeres uavhengig av hverandre. Når en VIPA etalon skyves ut av den optiske bane, de resterende linser av spektrometeret trinnet danner et 1: 1-avbildningssystem, slik at den spektrale mønster fra hvert trinn avbildes på CCD-kamera. Derfor er det enkelt å gå tilbake til enten ett av trinnene for å forbedre ytelsen uten at dette påvirker innrettingen av den andre fasen. Settet av translasjonelle stadier og frihetsgrader som …

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

  1. 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).
  2. Scarcelli, G., Yun, S. H. Multistage VIPA etalons for high-extinction parallel Brillouin spectroscopy. Opt. Exp. 19 (11), 10913-10922 (2011).
  3. Scarcelli, G. Confocal Brillouin microscopy for three-dimensional mechanical imaging. Nat. Phot. 2 (1), 39-43 (2008).
  4. Nichols, A. J., Evans, C. L. Video-rate Scanning Confocal Microscopy and Microendoscopy. J. Vis. Exp. (56), e3252 (2011).
  5. 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).
  6. Koski, K. J., Yarger, J. L. Brillouin imaging. Appl. Phys. Lett. 87 (6), 061903 (2005).
  7. 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).
  8. Scarcelli, G., Yun, S. H. In vivo Brillouin optical microscopy of the human eye. Opt. Exp. 20 (8), 9197-9202 (2012).
  9. Scarcelli, G., Besner, S., Pineda, R., Kalout, P., Yun, S. H. In Vivo Biomechanical Mapping of Normal and Keratoconus Corneas. Jama Ophtalmol. , (2015).
  10. 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).
  11. Antonacci, G., Foreman, M. R., Paterson, C., Török, P. Spectral broadening in Brillouin imaging. Appl. Phys. Lett. 103 (22), 221105 (2013).
  12. Meng, Z., Traverso, A. J., Yakovlev, V. Background clean-up in Brillouin microspectroscopy of scattering medium. Opt. Exp. 22 (5), 5410-5415 (2014).
  13. 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).
  14. 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).
check_url/pt/53468?article_type=t

Play Video

Citar este artigo
Berghaus, K. V., Yun, S. H., Scarcelli, G. High Speed Sub-GHz Spectrometer for Brillouin Scattering Analysis. J. Vis. Exp. (106), e53468, doi:10.3791/53468 (2015).

View Video