Summary

Höghastighetsunder GHz Spektrometer för Brillouin Scattering Analys

Published: December 22, 2015
doi:

Summary

Här presenterar vi ett protokoll för att bygga en snabb Brillouin spektrometer. Cascading nästan avbildade fas array (VIPA) etalons uppnå en hastighetsmätning mer än 1.000 gånger snabbare än traditionell skanning Fabry-Perot spektrometrar. Denna förbättring ger möjlighet för Brillouin analys av vävnad och biomaterial vid låga effektnivåer in vivo.

Abstract

Målet med detta protokoll är att bygga en parallell hög utrotning och hög upplösning optisk Brillouin spektrometer. Brillouin-spektroskopi är en beröringsfri mätmetod som kan användas för att erhålla direkt avläsning av viskoelastiska materialegenskaper. Det har varit ett användbart verktyg i materialkarakterisering, strukturell övervakning och miljö avkänning. I det förflutna, har Brillouin spektroskopi används vanligen scanning Fabry-Perot etalons att utföra spektralanalys. Denna process kräver hög ljusstyrka effekt och långa hämtningstider, vilket gör tekniken olämplig för biomedicinska tillämpningar. En nyligen införda nya spektrometer vinner denna utmaning genom att använda två VIPAs i en tväraxelkonfiguration. Denna innovation gör sub-gigahertz (GHz) upplösning spektralanalys med sub-andra förvärv tid och belysning makt inom säkerhetsgränserna för biologisk vävnad. De många nya applikationer underlättas av denna förbättring är currently undersöks i biologisk forskning och klinisk tillämpning.

Introduction

Brillouinspridning, som först beskrevs av Leon Brillouin 1 1922, är det oelastiska spridning av ljus från de termiska akustiska moder i en solid och från de termiska densitet svängningar i en vätska eller gas. Den spektrala förskjutning av det spridda ljuset, vanligen i under GHz-range, ger information om samspelet mellan det infallande ljuset och de akustiska fononer i provet. Som ett resultat, kan det ge användbar information beträffande de viskoelastiska egenskaperna hos det undersökta materialet.

I dess spontana versionen har Brillouinspridning allmänt tvärsnitt i storleksordningen Ramanspridning, vilket resulterar i en mycket svag signal. Dessutom Brillouin frekvensskift är storleksordningar mindre än Raman skift. Som en följd av elastiskt spritt ljus (från Rayleigh eller Mie spridning), ströljus och back-reflexer från provet kan alla lätt överskugga Brilloiun spektrala signatur. DärförBehöver en Brillouin spektrometer att inte bara uppnå sub-GHz spektral upplösning men också hög spektral kontrast eller utrotning.

I traditionella Brilloiun spektrometrar dessa krav uppfylls av scanning-galler monokromatorer, optiska malningsmetoder, och, mest populärt, med flera pass scanning Fabry-Perot interferometrar 2. Dessa metoder mäter varje spektralkomponent sekventiellt. Detta synsätt leder till hämtningstider för en enda Brillouin spektrum från några minuter till flera timmar, beroende på instrumentet och på provet. Tvåstegs-VIPA spektrometer, byggd med hjälp av detta protokoll, har förmågan att samla alla de spektrala komponenterna inom mindre än en sekund samtidigt som tillräcklig utrotning (> 60 dB) för att effektivt undertrycka andra falska signaler 2.

Integrationen av VIPA etalons är den viktigaste delen av denna spektrometer. En VIPA är en solid etalon med tre olika coating områden: i den främre ytan, gör en smal antireflexbehandling Remsan ljuset att komma in i VIPA, medan resten av ytan har en högreflekterande (HR) beläggning; i den bakre ytan, gör en delvis reflekterande beläggning en liten del (~ 5%) av det ljus som skall sändas. När fokuseras på den smala ingången till något lutande VIPA, får ljusstrålen som reflekteras i delkomponenter med fast fasskillnad i VIPA 2. Interferens mellan underkomponenterna uppnår eftersträvade hög spektral spridning. Justera två VIPAs sekventiellt i tväraxelkonfiguration introducerar spektral dispersion i ortogonala riktningar 3. Den spektrala spridningen i ortogonala riktningar separerar spatialt Brilloiun toppar från oönskad överhörning, vilket gör det möjligt att plocka upp bara Brillouin signalen. Figur 1 visar en schematisk bild av tvåstegs VIPA spektrometer. Pilarna under de optiska elementen indikerar degree av frihet där translationella stegen bör inriktas.

Figur 1
Figur 1. Instrumental inställning. En optisk fiber levererar Brillouinspridning i spektrometern. En cylindrisk lins C1 (f = 200 mm) fokuserar ljuset in i ingången till den första VIPA (VIPA1). En annan cylindrisk lins C2 (f = 200 mm) kartlägger spektrala vinkel dispersionen i en rumslig separation i fokalplan C2. I detta plan, är en vertikal mask används för att välja den önskade delen av spektrumet. En analog konfiguration följer, lutar i 90 grader. Strålen passerar genom en sfärisk lins S1 (f = 200 mm) och fokuseras i ingångsslitsen av andra VIPA (VIPA2). En sfärisk lins S2 (f = 200 mm) skapar två-dimensionell spektralt separerade mönstret i dess fokalplan, där en annan horisontell mask är placerad. Horsontal mask avbildas på EMCCD kameran med en akromatisk lins par. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

En doktorand med några optik kurser och grundläggande inriktnings erfarenhet bör kunna bygga och använda detta i två steg spektrometer. Spektrometern har nyligen visat sig vara kompatibel med en mängd olika standard optiska sönder 3,4,5 (t.ex. konfokal mikroskop, endoskop, spaltlampa oftalmoskop). Här, är spektrometern ansluten till ett konfokalmikroskop. Laserljuset är inriktad i en standard forskning inverterat systemet mikroskop efter att integrera en 90:10 stråldelare. Den bakåtspridning ljus från provet kopplas till en enkelmodfiber, vilket gör mikroskopet konfokala.

Protocol

Obs: Brillouin spektralanalys kräver en enda longitudinell mod laser (~ 10 mW vid provet). För inriktning ändamål, använd en kraftigt försvagad del av denna laserstråle (<0,1 mW). 1. Grundinställn av Fiber och EMCCD (Electron Multiplied Charge Coupled Device) Kamera Identifiera ca 1600 mm fritt inriktnings utrymme för spektrometern på en optisk bord. Montera EMCCD kameran vid slutet av den fria inriktningsutrymme. Använd ställskruvar för att fästa kame…

Representative Results

Figur 3 visar representativa Brillouin spektra och deras passar för olika material. De VIPAs båda ha en tjocklek av 5 mm, vilket resulterar i en FSR av ungefär 20 GHz. Att integrationstiden för dessa mätningar var 100 ms. 100 mätningar gjordes och medelvärdet. En kalibrerings mätningen gjordes innan förvärva spektra. Figur 3. Brillouin Spectra …

Discussion

En viktig konstruktionsegenskap av denna spektrometer konfiguration är att de två stegen kan inriktas självständigt. När en VIPA etalon skjuts ut från den optiska vägen, de återstående linser av spektrometern steget bilda en 1: 1 avbildningssystem, så att den spektrala mönstret från varje steg avbildas på CCD-kameran. Därför är det enkelt att gå tillbaka till endera av stegen för att förbättra sina resultat utan att påverka inriktningen av den andra etappen. Uppsättningen translationella stadier oc…

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