High-Speed-Dauerstrich-stimulierten Brillouin-Streuung Spektrometer für Materialanalyse
Summary
Wir beschreiben die Konstruktion eines schnellen continuous-Hohlleiter-stimuliert-Brillouin-Streuung (CW-SBS)-Spektrometers. Das Spektrometer beschäftigt einphasiger Diodenlaser und eine atomare Dampf Notchfilter Transmissionsspektren trübe/nicht-trübe Proben mit hoher Spektralauflösung zu erwerben Geschwindigkeiten bis zu 100fach schneller als die der vorhandenen CW-SBS-Spektrometer. Diese Verbesserung ermöglicht High-Speed-Brillouin Materialanalyse.
Abstract
Den letzten Jahren verzeichnen einen deutlichen Anstieg der Verwendung von spontane Brillouin-Spektrometern für berührungslose Analyse der weichen Materie, wie wässrigen Lösungen und Biomaterialien, mit schnellen Erfassungszeiten. Hier besprechen wir die Montage und Betrieb von einem Brillouin-Spektrometer, das verwendet stimuliert Brillouin-Streuung (SBS), stimulierte Brillouin Gewinn (SBG) Spektren von Wasser und Lipid-Emulsion basierenden Gewebe-wie Proben im Übertragungsmodus zu messen mit < 10 MHz spektrale Auflösung und < 35 MHz Brillouin-Schicht Messgenauigkeit bei < 100 Ms. das Spektrometer besteht aus zwei fast gegen Weitergabe Dauerstrich-(CW) schmale Linewidth Laser bei 780 nm deren Frequenz Verstimmung, durch gescannt wird die materiellen Brillouin-Verschiebung. Eine Ultra-Schmalband-heiße Rubidium-85-Dampf-Notch-Filter und eine Phase-empfindlichen Detektor verwenden, ist das Signal-Rausch-Verhältnis des SBG-Signals deutlich verbessert im Vergleich zu denen, die mit vorhandenen CW-SBS-Spektrometer. Diese Verbesserung ermöglicht eine Messung der SBG Spektren mit bis zu 100-fold schneller Erwerb Zeiten, wodurch hohe spektrale Auflösung und hochpräzise Brillouin-Analyse aus weichen Materialien mit hoher Geschwindigkeit.
Introduction
Spontane Brillouin-Spektroskopie wurde eingerichtet, in den letzten Jahren als ein wertvollen Ansatz für die mechanische Analyse von weichen Materialien, wie z. B. Flüssigkeiten, echte Gewebe, Gewebe-Phantome und biologische Zellen1,2, 3,4,5,6,7. Bei diesem Ansatz ein einzelner Laser beleuchtet die Probe und Licht, das von spontanen thermische akustische Wellen im Medium inelastisch gestreut wird durch ein Spektrometer, die nützliche Informationen über die viskoelastischen Eigenschaften der Probe gesammelt. Das spontane Brillouin-Spektrum umfasst zwei Brillouin-Peaks bei der akustischen Stokes und Anti-Stokes Resonanzen des Materials und eine Rayleigh Peak bei den leuchtenden Laser-Frequenz (durch elastisch gestreutes Licht). Für eine Brillouin backscattering Geometrie die Brillouin-Frequenzen werden von einigen GHz von der leuchtenden Laser Frequenz verschoben und spektrale Breite von Hunderten von MHz.
Während Scannen Fabry-Perot-Spektrometern die Systeme wurden der Wahl für den Erwerb der spontane Brillouin-Spektren in weicher Materie1,2, abgebildet die jüngsten technologischen Fortschritte in nahezu Phase Array (VIPA) Spektrometer konnten deutlich schnellere (unter einer Sekunde) Brillouin-Messungen mit angemessenen Spektralauflösung (Sub-GHz)3,4,5,6,7. In diesem Protokoll präsentieren wir den Bau eines anders, High-Speed, hohe spektrale Auflösung, genaue Brillouin Spektrometers basiert auf dem Nachweis von continuous-Hohlleiter-stimuliert-Brillouin-Streuung (CW-SBS) Licht nicht trüben und trübe Proben in einer fast zurück Streugeometrie.
In CW-SBS-Spektroskopie überlappen sich Dauerstrich-(CW) Pumpe und Sonde Laser, leicht verstimmt in der Frequenz, in einer Probe, Schallwellen zu stimulieren. Wenn die Frequenzdifferenz zwischen der Pumpe und Sonde strahlen eine besondere akustische Resonanz des Materials entspricht, Verstärkung oder Deamplification des Signals Sonde durch stimulierte Brillouin-Gewinn oder Verlust (SBG/SBL) Prozesse, bzw. erfolgt; Ansonsten erfolgt keine SBS (de) Verstärkung8,9,10,11. So ein Spektrum der SBG (SBL) können durch die Frequenzdifferenz zwischen den Laser über die materiellen Brillouin-Resonanzen scannen und erkennen die Erhöhung (Senkung) erworben werden, oder gewinnen (Verlust), an der Sonde Intensität durch SBS. Im Gegensatz zu in spontane Brillouin-Streuung, elastischen Streuung Hintergrund ist von Natur aus nicht vorhanden in SBS, ermöglicht hervorragende Brillouin Kontrast in trübe und nicht trüben Proben ohne Notwendigkeit einer Rayleigh Ablehnung Filter als erforderlich in VIPA Spektrometer10,11,13.
Die wichtigsten Bausteine eines CW-SBS-Spektrometers sind die Pumpe und Sonde Laser und stimulierte Brillouin-Gewinn/Verlust-Detektor. Für hohe spektrale Auflösung, high-Speed CW-SBS-Spektroskopie, die Laser einphasiger sein müssen (< 10 MHz Linewidth) mit ausreichend breiten Wellenlänge Einstellbarkeit (20-30 GHz) und Abtastrate (> 200 GHz/s), langfristige Frequenzstabilität (< 50 MHz/h) und geringer Intensität Lärm. Darüber hinaus linear polarisiert und Beugung begrenzte Laserstrahlen mit Kräften von ein paar hundert (ten) von mW auf der Probe sind erforderlich für die Pumpstrahl (Sonde). Schließlich sollte der stimulierte Brillouin-Gewinn/Verlust-Detektor soll zuverlässig erkennen, schwache nach hinten stimulierte Brillouin Gewinn/Verlust (SBG/SBL) Ebenen (10-5 – 10-6) in weicher Materie. Um diese Anforderungen zu erfüllen, wir verteilten Feedback (DFB) Diodenlaser gekoppelt mit Polarisation beibehalten ausgewählt Fasern zusammen mit einen stimulierten Brillouin Gewinn/Verlust Detektor verbindet eine Ultra-Schmalband-atomaren Dampf Notch-Filter und eine hohe Frequenz Single-Modulation Lock-in-Verstärker wie in Abbildung 1dargestellt. Diese Erkennung Regelung verdoppelt sich die Intensität des Signals SBG und erheblich reduzieren Lärm in der Sonde Intensität, wo das Nutzsignal SBG eingebettete11ist. Beachten Sie, dass die Rolle der atomaren Dampf-Kammfilter in unserem SBS-Spektrometer verwendet, die Erkennung von unerwünschten streunende Pumpe Reflexionen deutlich zu reduzieren, anstatt der elastischen Streuung Hintergrund wie bei VIPA-Spektrometern zu verringern, die beide erkennen spontane Rayleigh und Brillouin zerstreut Licht. Unter Verwendung des Protokolls, die unten genau geschildert, ein CW-SBS-Spektrometer kann konstruiert werden, mit der Möglichkeit des Erwerbs von Transmissionsspektren von Wasser und Gewebe Phantome mit SBG so niedrig wie 10-6 am < 35 MHz Brillouin-Schicht Messgenauigkeit und innerhalb von 100 ms oder weniger.
Abbildung 1: Dauerstrich-stimulierte Brillouin-Streuung (CW-SBS) Spektrometer. Zwei Dauerstrich-Pumpe und Sonde Diodenlaser (DL), Frequenz, um die Brillouin-Verschiebung der Probe, verstimmt sind in Polarisation Aufrechterhaltung Monomode-Fasern mit Kollimatoren C1 und C2, gekoppelt. Die Frequenzdifferenz Pumpe-Sonde wird gemessen, indem er erkennt die Schwebungsfrequenz zwischen den Balken von der Pumpe und Sonde Lasern mit einem Satz von Faser-Splitter (FS), einen schnellen Photodetektor (FPD) und einem Frequenzzähler (FC) geschält. Der S-polarisierte Sonde Strahl (hellrot), mit einer Keplerschen Beam Expander (L1 und L2), stimmt zirkular polarisiert durch eine Viertel-Wellenlängen-Platte (λ14) erweitert und konzentrierte sich auf die Probe (S) durch eine achromatische Linse (L3). Für SBS Zusammenwirken und optische Isolierung der Pumpe Strahl (dunkelrot), mit einer Keplerschen Beam Expander (L5 L6) und erweitert ist zunächst P-polarisierten mit einem Halbwellen-Platte λ24), dann durch eine polarisierende übertragen Beam Splitter (PBS), und schließlich links zirkular polarisiert durch eine Viertel-Wellenlängen-Platte (λ24) und konzentrierte sich auf die Probe mit einem achromatische Objektiv (L4; wie L3). Beachten Sie, dass die Pumpe und Sonde Strahlen fast in der Probe gegen ausbreiten und laser-eine S-orientierte Polarisator (P) verwendet wurde, zu verhindern, dass die Pumpe P-polarisierten Strahl (aus λ14 kommend) in die Sonde. Für die Erkennung von Lock-in ist die Pumpstrahl sinusähnlich fm mit einem akusto-optischen Modulator (AOM) moduliert. Das SBG-Signal, manifestiert sich als Intensitätsschwankungen Frequenz fm (siehe Kasten), ist mit demoduliertein Lock-in-Verstärker (LIA) nach Erkennung durch eine großflächige Photodiode (PD). Für bedeutende Beseitigung von streunenden Pumpe Reflexionen in der Fotodiode einem Schmalband Filter Bragg (BF) und eine atomare Notch-Filter (85RB) rund um die Pumpe Wellenlänge neben mit einer lichtundurchlässigen Iris (I) dienen. Daten werden von einem Erwerb Datenkarte (DAQ) angeschlossen an einen Personalcomputer (PC) zur weiteren Analyse des Spektrums Brillouin erfasst. Alle Faltungsspiegeln (M1– M6) werden verwendet, um das Spektrometer auf ein 18” x 24” Steckbrett passen, die auf dem optischen Tisch zur Erleichterung der Platzierung von wässrigen Proben vertikal montiert ist. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Protocol
Representative Results
Discussion
Das in Abbildung 1gezeigte System wurde entwickelt, um auf ein Steckbrett 18” x 24” gebaut werden, die auf einer optischen Tisch, Erleichterung der Platzierung von wässrigen Proben vertikal montiert werden können. Infolgedessen ist es wichtig, stark ziehen alle optische und mechanischen Elementen und sicherstellen, dass die Pumpe und Sonde Strahlen kollinear und mit den verschiedenen Elementen vor beleuchtet die Probe in der einfallenden Geometrie konzentrisch sind.
Schwie…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
IR ist dankbar für die Azrieli-Stiftung für den PhD Fellowship Award.
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
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