High-Speed kontinuerte stimuleret Brillouin spredning spektrometer for materielle analyse
Summary
Vi beskriver opbygningen af en hurtig continuous-wave-stimuleret-Brillouin-spredning (CW-SBS) spektrometer. Spektrometeret beskæftiger single-frekvens diode-lasere og en atomic vapor notch-filter til at erhverve transmission spektre af grumset/ikke-uklare prøver med høje spektrale opløsning på hastigheder op til 100 hurtigere end eksisterende CW-SBS spektrometre. Denne forbedring gør det muligt for højhastighedstog Brillouin materielle analyse.
Abstract
De seneste år har oplevet en betydelig stigning i brugen af spontan Brillouin spektrometre til ikke-kontakt analyse af blødt materiale, såsom vandige opløsninger og biomaterialer, med hurtig erhvervelse gange. Her vi diskutere forsamlingen og drift af en Brillouin spektrometer, der bruger stimuleret Brillouin spredning (SBS) til at måle stimuleret Brillouin gevinst (SBG) spektre af vand og lipid emulsion-baseret væv-lignende prøver i transmissionsform med < 10 MHz spektrale opløsning og < 35 MHz Brillouin-Skift måling præcision på < 100 ms. spektrometeret består af to næsten Counter formerings kontinuerte (CW) smal-linewidth lasere på 780 nm hvis frekvens stemning er scannet gennem den materielle Brillouin Skift. Ved hjælp af en ultra-smalbånd hot rubidium-85 vapor notch filter og en fase-følsomme detektor, signal-til-støj-forholdet mellem SBG signal er væsentligt forbedret i forhold til der opnås med eksisterende CW-SBS spektrometre. Denne forbedring muliggør måling af SBG spektre med op til 100-fold hurtigere erhvervelse gange, dermed at lette høj spektrale opløsning og høj præcision Brillouin analyse af bløde materialer med høj hastighed.
Introduction
Spontan Brillouin spektroskopi er blevet etableret, i de seneste år, som en værdifuld tilgang til mekanisk analyse af bløde materialer, såsom væsker, virkelige væv, væv phantoms og biologiske celler,1,2, 3,4,5,6,7. I denne tilgang, en enkelt laser lyser prøven og lys, der er uelastisk spredt fra spontane termisk akustiske bølger i medium er indsamlet af et spektrometer, giver nyttige oplysninger om de viskoelastiske egenskaber af prøven. Spontan Brillouin spektret omfatter to Brillouin toppe på akustiske Stokes og anti-Stokes resonanser af materialet, og en Rayleigh peak på den lysende laser frekvens (på grund af gravitoner spredt lys). For en Brillouin backscattering geometri, Brillouin frekvenser er flyttet af adskillige GHz fra den lysende laser frekvens og har spektrale bredde af hundredvis af MHz.
Mens scanning Fabry-Perot spektrometre har været systemer af valg for at erhverve spontan Brillouin spektre i blød sag1,2, afbildet de seneste teknologiske fremskridt i næsten fase array (VIPA) spektrometre har aktiveret betydeligt hurtigere (lynhurtige) Brillouin målinger med passende spektrale opløsning (sub-GHz)3,4,5,6,7. I denne protokol præsenterer vi opbygningen af en anden, høj hastighed, høj spektrale opløsning, nøjagtig Brillouin spektrometer baseret på påvisning af continuous-wave-stimuleret-Brillouin-spredning (CW-SBS) lys fra ikke-grumset og uklar prøver i en næsten tilbage spredning geometri.
I CW-SBS spektroskopi, kontinuerte (CW) pumpe og sonde lasere, lidt forstemt i frekvens, overlapper hinanden i en prøve at stimulere akustiske bølger. Når frekvensen forskellen mellem pumpen og sonde bjælker svarer en bestemt akustiske resonans af materialet, leveres forstærkning eller deamplification af sonde signalet af stimuleret Brillouin tab eller gevinst (SBG/SBL) processer, henholdsvis; ellers forekommer ingen SBS (de) forstærkning8,9,10,11. Således, en SBG (SBL) spektrum kan erhverves ved scanning frekvensen forskellen mellem lasere på tværs af de materielle Brillouin resonanser og afsløre stigning (fald), eller vinde (tab), i sonden intensitet på grund af SBS. I modsætning til i spontan Brillouin spredning, elastisk spredning baggrund er i sagens natur fraværende i SBS, muliggør fremragende Brillouin kontrast i både grumset og ikke-uklare prøver uden behov for Rayleigh afvisning filtre som krævet i VIPA spektrometre10,11,13.
De vigtigste byggesten i en CW-SBS spektrometer er de pumpe og sonde lasere og stimuleret Brillouin Kontraktgevinst /-tab detektor. For høj spektrale opløsning, høj hastighed CW-SBS spektroskopi, lasere skal være single-frekvens (< 10 MHz linewidth) med tilstrækkelig lang bølgelængde tunability (20-30 GHz) og scanningsopløsning (> 200 GHz/s), frekvens langtidsstabilitet (< 50 MHz/h) og lav intensitet støj. Derudover lineært polariseret og diffraktion-begrænset laser bjaelker beføjelser til få hundrede (tens) af mW på prøven kræves til pumpen (sonde) stråle. Endelig, stimuleret Brillouin Kontraktgevinst /-tab detektoren bør udformes til pålideligt registrere svage bagud stimuleret Brillouin vinding (SBG/SBL) niveauer (10-5 – 10-6) i blød sag. For at imødekomme disse behov, vi valgt distribuerede feedback (DFB) diode lasere koblet til opretholdelse af polarisering fibre sammen med en stimuleret Brillouin Kontraktgevinst /-tab detektor kombinerer en ultra-smalbånd atomic dampe notch-filter og en højfrekvens Single-graduering lock-in forstærker som illustreret i figur 1. Denne opdagelse ordning fordobler intensiteten af SBG-signal samtidig reducere støj i sonden intensitet, hvor den ønskede SBG signal er integrerede11. Bemærk, at rollen som atomare vapor notch-filter bruges i vores SBS spektrometer er at reducere påvisning af uønskede omstrejfende pumpe overvejelser snarere end at mindske elastisk spredning baggrund som VIPA spektrometre, der registrerer både spontan Rayleigh og Brillouin spredt lys. Ved hjælp af protokollen, der er beskrevet nedenfor, en CW-SBS spektrometer kan konstrueres med mulighed for at erhverve transmission spektre af vand og væv phantoms med SBG niveauer så lavt som 10-6 på < 35 MHz Brillouin-Skift måling præcision og inden for 100 ms eller mindre.
Figur 1: kontinuerte stimuleret Brillouin spredning (CW-SBS) spektrometer. To kontinuerte pumpe og sonde diode lasere (DL), frekvens forstemt omkring Brillouin skift af stikprøven er koblet ind i vedligeholdelse af polarisering single-mode fibre med kollimatorer C1 og C2, henholdsvis. Pumpe-sonde frekvens forskel er målt ved at opdage den beat frekvens mellem bjælker skrællet fra pumpen og sonde lasere ved hjælp af et sæt af fiber splittere (FS), en hurtig fotodetektor (FPD) og en frekvenstæller (FC). S-polariseret sonde beam (lyserød), udvidet ved hjælp af en keplerske stråle expander (L1 og L2), er ret cirkulært polariseret ved en kvart-bølge plade (λ1/4) og fokuseret på prøve (S) af en achromatic linse (L3). For effektiv SBS interaktion og optisk isoleret, pumpe strålen (dyb rød), udvidet bruger en keplerske stråle expander (L5 og L6), er første P-polariseret ved hjælp af en halvt-bølge plade λ2/4), derefter overføres gennem en polariserende Beam splitter (PBS), endelig forlod cirkulært polariseret ved en kvart-bølge plade (λ2/4) og er fokuseret på prøve med et achromatic linse (L4, samme som L3). Bemærk at de pumpe og sonde bjælker næsten Counter udbrede i prøven og at en S-orienterede polarisator (P) blev brugt til at forhindre, at P-polariseret pumpe bjælken (kommer ud af λ1/4) ind i sonden laser. Til lock-in påvisning moduleres pumpe stråle sinusoidally på fm med en akustisk-optisk modulator (AOM). SBG signal, manifesterede sig som intensitet variationer på frekvensen fm (Se inset), er demodulerede meden lock-in forstærker (LIA) efter påvisning af et stort område fotodiode (PD). For betydelige eliminering af vagabonderende pumpe refleksioner i fotodiode bruges en smalbånd Bragg filter (BF) og en atomic notch filter (85RB) omkring pumpen bølgelængde sammen med en lys-blokerende iris, (I). Data er registreret af en erhvervelse datakort (DAQ) forbundet til en personlig computer (PC) for yderligere analyse af Brillouin spektrum. Alle folde spejle (M1– M6) bruges til at passe spektrometeret på en 18” × 24” breadboard, der er vertikalt monteret på den optiske tabel for at lette placering af våde prøver. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Protocol
Representative Results
Discussion
System, vist i figur 1, var designet til at være bygget på en 18” x 24” breadboard, der kan monteres lodret på en optisk tabel, at lette placering af våde prøver. Som et resultat, er det vigtigt at kraftigt spænde alle optiske og mekaniske elementer og sikre, at de pumpe og sonde bjælker kolineære og koncentrisk med de forskellige elementer inden lysende prøven i off-axis geometri.
Vanskeligheder med at overholde den stimuleret Brillouin få signal kan opstå på gr…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
IR er taknemmelig Azrieli grundlaget for ph.d.-stipendium 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
- Koski, K. J., Akhenblit, P., McKiernan, K., Yarger, J. L. Non-invasive determination of the complete elastic moduli of spider silks. Nat. Mater. 12 (3), 262-267 (2013).
- Palombo, F., Madami, M., Stone, N., Fioretto, D. Mechanical mapping with chemical specificity by confocal Brillouin and Raman microscopy. Analyst. 139 (4), 729-733 (2014).
- Scarcelli, G., Yun, S. H. In vivo Brillouin optical microscopy of the human eye. Opt. Exp. 20 (8), 9197-9202 (2012).
- Scarcelli, G., et al. Noncontact three-dimensional mapping of intracellular hydromechanical properties by Brillouin microscopy. Nat. Methods. 12 (12), 1132-1134 (2015).
- Traverso, A. J., Thompson, J. V., Steelman, Z. A., Meng, Z., Scully, M. O., Yakovlev, V. V. Dual Raman-Brillouin microscope for chemical and mechanical characterization and imaging. Anal. Chem. 87 (15), 7519-7523 (2015).
- Antonacci, G., Foreman, M. R., Paterson, C., Török, P. Spectral broadening in Brillouin imaging. Appl. Phys. Lett. 103 (22), 221105 (2013).
- Antonacci, G., et al. Quantification of plaque stiffness by Brillouin microscopy in experimental thin cap fibroatheroma. J. R. Soc. Interface. 12 (112), 20150483 (2015).
- Grubbs, W. T., MacPhail, R. A. High resolution stimulated Brillouin gain spectrometer. Rev. Sci. Instrum. 65 (1), 34-41 (1994).
- Ballmann, C. W., Thompson, J. V., Traverso, A. J., Meng, Z., Scully, M. O., Yakovlev, V. V. Stimulated Brillouin scattering microscopic imaging. Sci Rep. 5, 18139 (2015).
- Remer, I., Bilenca, A. Background-free Brillouin spectroscopy in scattering media at 780 nm via stimulated Brillouin scattering. Opt. Lett. 41 (5), 926-929 (2016).
- Remer, I., Bilenca, A. High-speed stimulated Brillouin scattering spectroscopy at 780 nm. APL Photonics. 1 (6), 061301 (2016).
- She, C. Y., Moosmüller, H., Herring, G. C. Coherent light scattering spectroscopy for supersonic flow measurements. Appl. Phys. B-Lasers O. 46 (4), 283-297 (1988).
- Fiore, A., Zhang, j., Peng Shao, ., Yun, S. H., Scarcelli, G. High-extinction virtually imaged phased array-based Brillouin spectroscopy of turbid biological media. Appl. Phys. Lett. 108 (20), 203701 (2016).
