Høyhastighets Continuous-wave stimulert Brillouin spredning Spectrometer for materielle analyse
Summary
Vi beskriver byggingen av en rask continuous-wave-stimulert-Brillouin-spredning (CW-SBS) spectrometer. Spectrometer har enkelt-frekvens diode-lasere og en atomic damp støyfilter å erverve overføring spektra av grumset/ikke-grumset prøver høy spectral-oppløsning med hastigheter opptil 100-fold raskere enn eksisterende CW-SBS spektrometre. Denne forbedringen muliggjør høyhastighets Brillouin materiale analyse.
Abstract
De siste årene har sett en betydelig økning i bruken av spontan spektrometre Brillouin for ikke-kontakt analyse av myke materie som vandige løsninger og biologisk materiale, med rask oppkjøpet ganger. Her diskuterer vi forsamlingen og drift av en Brillouin spectrometer som bruker stimulert Brillouin spredning (SBS) å måle stimulert Brillouin gevinst (SBG) spektra av vann og lipid krembasert vev som prøver overføringsmodus med < 10 MHz Spectral oppløsning og < 35 MHz Brillouin-Skift måling presisjon i < 100 ms. spectrometer består av to nesten mot spre continuous-wave (CW) smal-linewidth lasere på 780 nm som frekvens detuning er skannet gjennom den materiale Brillouin SKIFT. Ved hjelp av en ultra-Smalbånd hot lepidolitt-85 damp støyfilter og en fase-sensitive detektor, signal-til-støy-forholdet mellom SBG signalet er betydelig forbedret sammenlignet det med eksisterende CW-SBS spektrometre. Denne forbedringen gjør det mulig for måling av SBG spectra med opptil 100 ganger raskere oppkjøpet ganger, og dermed tilrettelegge høy spectral oppløsning og høy presisjon Brillouin analyse av myke materialer i høy hastighet.
Introduction
Spontan Brillouin spektroskopi er etablert, de siste årene, som en verdifull tilnærming for mekanisk analyse av myke materialer, slik som væsker, ekte vev, vev phantoms og biologiske celler1,2, 3,4,5,6,7. I denne tilnærmingen, en enkelt laser lyser prøven og lys inelastically Balloon spontan termisk akustiske bølger i medium samles inn av et spektrometer, gir nyttig informasjon om egenskapene viskoelastiske prøven. Spontan Brillouin spekteret omfatter to Brillouin topper på akustisk Stokes og anti-Stokes resonanser av materiale og en Rayleigh peak på belyse laser frekvensen (på grunn av elastisk spredte lys). En Brillouin backscattering geometri, Brillouin frekvenser er forskjøvet flere GHz fra opplysende laser frekvensen og har spectral bredden på hundrevis av MHz.
Mens skanning Fabrys-Perot spektrometre har vært det systemer av valget for å skaffe spontan Brillouin spectra i myke spørsmål1,2, fotografert siste teknologiske fremskritt i nesten fase matrise (VIPA) spektrometre har aktivert betydelig raskere (sub sekund) Brillouin mål med tilstrekkelig spectral-oppløsning (sub-GHz)3,4,5,6,7. I denne protokollen presenterer vi byggingen av en annen, høy hastighet, høy spectral oppløsning, nøyaktig Brillouin spectrometer basert på deteksjon av continuous-wave-stimulert-Brillouin-spredning (CW-SBS) lys fra ikke-grumset og grumset eksemplene i en nesten tilbake spredning geometri.
CW-SBS spektroskopi overlapper continuous-wave (CW) pumpe og sonde lasere, aposyntonistika i frekvens, i en prøve å stimulere akustiske bølger. Når en frekvens forskjell mellom pumpe og sonde bjelker samsvarer med en bestemt akustisk resonans av materialet, er forsterkning eller deamplification av sonden levert av stimulert Brillouin gevinst eller tap (SBG/SBL) prosesser. ellers oppstår ingen SBS (de) forsterkning8,9,10,11. Dermed en SBG (SBL) spektrum kan ervervet av skanning en frekvens forskjell mellom lasere over materiale Brillouin resonanser og oppdage økning (reduksjon) eller gevinst (tap), i sonde intensiteten på grunn av SBS. Til forskjell fra spontan Brillouin spredning, elastisk spredning bakgrunn er iboende fraværende i SBS, aktivere ypperlig Brillouin kontrast i både grumset og ikke-grumset prøver uten behov for Rayleigh avvisning filtre som kreves i VIPA spektrometre10,11,13.
De viktigste byggeklossene i en CW-SBS spectrometer er pumpen og sonde lasere og stimulert Brillouin Kontraktresultat detektoren. For høy spectral oppløsning, høy hastighet CW-SBS spektroskopi, lasere må være enkelt-frekvens (< 10 MHz linewidth) med tilstrekkelig bredt bølgelengde tunability (20-30 GHz) og skanning (> 200 GHz/s), langsiktig frekvens stabilitet (< 50 MHz/h) og lav intensitet. Videre lineært polarisert og Diffraksjon-begrenset laser bjelker med makten til få hundre (tens) av mW på prøven kreves for pumpe (sonde) strålen. Til slutt, stimulert Brillouin Kontraktresultat detektoren bør være utformet å oppdage svak bakover stimulert Brillouin Kontraktresultat (SBG/SBL) nivåer (10-5 – 10-6) i myk saken. For å møte disse behovene, vi valgte distribuert tilbakemelding (DFB) diode laser kombinert polarisering-opprettholde fibre sammen med en stimulert Brillouin gevinst/tap detektor kombinerer en ultra-Smalbånd atomic damp støyfilter og en høy frekvens Single-modulering låsbare forsterker som illustrert i figur 1. Denne oppdagelsen ordningen dobler intensiteten av SBG signalet mens redusere støy i sonde intensiteten, der ønsket SBG signalet er innebygd11. Merk at rollen atomic damp-støyfilter i våre SBS spectrometer å redusere påvisning av uønskede spredt pumpe refleksjoner, i stedet for å redusere elastisk spredning bakgrunnen som VIPA spektrometre som gjenkjenner begge spontan Rayleigh og Brillouin spredt lys. Bruker protokollen nedenfor, en CW-SBS spectrometer kan konstrueres med evnen til å anskaffe overføring spektra av vann og vev fantomer SBG nivåer så lavt som 10-6 på < 35 MHz Brillouin-Skift måling presisjon og innen 100 ms eller mindre.
Figur 1: Continuous-wave stimulert Brillouin spredning (CW-SBS) Spectrometer. To continuous-wave pumpe og sonde diode laser (DL), frekvens nedstemte rundt Brillouin skifte av prøven, er koblet til vedlikehold av polarisering single-modus fiber med collimators C1 og C2, henholdsvis. Pumpe-sonden frekvens forskjell måles ved å registrere beat frekvensen mellom bjelker skrelles fra pumpen og sonde lasere med en fiber splittere (AS), en rask photodetector (FPD) og en frekvens teller (FC). S-polarisert sonde strålen (lys rød), utvidet med en Keplerian strålen expander (L1 og L2), er riktig sirkulært polarisert av en kvart-bølge plate (λ1/4) og fokusert på prøven (S) av en achromatic linse (L-3). Effektiv SBS samhandling og optiske isolert, pumpe strålen (dyp rød), utvidet med en Keplerian strålen expander (L5 og L6), er første P-polarisert bruker en halv-bølge plate λ2/4), deretter overføres gjennom et polariserende stråle splitter (PBS), endelig venstre sirkulært polarisert av en kvart-bølge plate (λ2/4) og fokusert på prøven med en achromatic linse (L4, samme som L3). Merk at pumpen og sonde bjelker nesten mot overføres i utvalget og at en S-orientert polarisator (P) ble brukt til å hindre P-polarisert pumpe strålen (kommer ut av λ1/4) fra inn sonden laser. For låsbare deteksjon modulert pumpe strålen sinusoidally fm med en acousto-optiske modulator (AOM). SBG signalet, manifestert som intensitet variasjoner på frekvens fm (se innfelt), er demodulerte meden bindingstid forsterker (LIA) etter oppdagelsen av et stort område photodiode (PD). For betydelige eliminering av spredt pumpe refleksjoner i photodiode brukes en Smalbånd Bragg filter (BF) og en atomic støyfilter (85RB) rundt pumpen bølgelengden sammen med en lys-blokkerende iris (I). Data er registrert av et oppkjøp datakort (DAQ) koblet til en personlig datamaskin (PC) for videre analyse av Brillouin spekteret. Alle sammenleggbare speil (M1– M6) brukes til å passe spectrometer på en 18” × 24” brødfjel som er loddrett montert på optiske bordet for å tilrettelegge plassering av vannaktig prøver. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Protocol
Representative Results
Discussion
Systemet, vist i figur 1, ble designet som skal bygges på en 18” x 24-tommers brødfjel som kan monteres vertikalt på en optisk tabell, tilrettelegge plassering av vannaktig prøver. Derfor er det viktig å sterkt stramme alle optisk og mekanisk elementer og sikre at pumpen og sonde bjelker kollineare og konsentriske ulike elementer før opplysende utvalg i off-aksen geometri.
Vanskeligheter i å observere den stimulert Brillouin få signal kan skyldes overdreven spredt pum…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
IR er takknemlig til Azrieli Foundation for 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
- 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).
