Espectrômetro de espalhamento Brillouin estimulado assemelhace de alta velocidade para análise de Material

Espectroscopia de Brillouin espontânea estabeleceu, nos últimos anos, como uma abordagem valiosa para a análise mecânica de materiais macios, tais como líquidos, células de tecido real, espectros de tecido e biológica^{1,2, 3,4,5,6,7}. Nesta abordagem, um único laser ilumina a amostra e a luz que é espalhada inelastically de espontâneas térmicas ondas acústicas no meio é recolhida por um espectrômetro, fornecendo informações úteis sobre as propriedades viscoelásticas da amostra. O espectro de Brillouin espontâneo inclui dois picos de Brillouin no acústico Stokes e ressonâncias anti-Stokes do material e um pico de Rayleigh na frequência do laser iluminante (devido a luz elasticamente disperso). Para uma geometria de Retrodispersão de Brillouin, as frequências de Brillouin são deslocadas por vários GHz da frequência do laser iluminante e tem largura espectral de centenas de MHz.

Enquanto digitalização espectrômetros de Fabry-Perot foram as sistemas de escolha para a aquisição de espectros de Brillouin espontâneos em matéria mole^1,2, avanços tecnológicos recentes praticamente fotografaram matriz da fase (VIPA) Espectrómetros de permitiram significativamente mais rápido (segundo) Brillouin as medições com adequada-resolução espectral (sub-GHz)^3,4,5,6,7. Neste protocolo, apresentamos a construção de uma diferente, de alta velocidade, alta resolução espectral, preciso Brillouin espectrômetro pela detecção da luz (CW-SBS) continuous-wave-estimulada-Brillouin-dispersão não turva e turva amostras em uma geometria de dispersão quase de volta.

Em espectroscopia de CW-SBS, assemelhace (CW) bomba e sonda laser, ligeiramente detuned em frequência, sobrepõem-se em uma amostra para estimular ondas acústicas. Quando a diferença de frequência entre os feixes de bomba e sonda corresponde uma ressonância acústica específica do material, amplificação ou deamplification do sinal da sonda é fornecido pelo estimulado Brillouin ganho ou perda de processos (SBG/SBL), respectivamente; caso contrário, não há amplificação de SBS (de) ocorre^8,9,10,11. Assim, um espectro da SBG (SBL) pode ser adquirida pela digitalização a diferença de frequência entre os lasers através do material Brillouin ressonâncias e detectar o aumento (diminuição) ou ganho (perda), a intensidade de sonda devido a SBS. Ao contrário em espontâneo espalhamento Brillouin, fundo de dispersão elástica é inerentemente ausente no SBS, permitindo excelente contraste de Brillouin em amostras turvas e não turva, sem qualquer necessidade de filtros de rejeição de Rayleigh como exigido no VIPA Espectrómetros de^11,10,13.

Os principais blocos de construção de um espectrómetro de CW-SBS são os lasers da bomba e a sonda e o detector de ganho/perda de Brillouin estimulado. Para espectroscopia de alta resolução espectral, alta velocidade CW-SBS, os lasers precisam ser frequência única (< 10MHz linewidth) com pré-definido de comprimento de onda suficientemente ampla (20-30 GHz) e taxa de exploração (> 200 GHz/s), a longo prazo estabilidade de frequência (< 50 MHz/h) e ruído de baixa intensidade. Além disso, a feixes de laser linearmente polarizado e difração limitada com poderes de poucas centenas (dezenas) de mW na amostra são necessários para que o feixe de bomba (sonda). Finalmente, o detector de ganho/perda de Brillouin estimulado deve ser concebido para detectar confiavelmente fraco para trás estimulado Brillouin ganho/perda (SBG/SBL) níveis (10^-5 – 10^-6) em matéria mole. Para atender estas necessidades, nós selecionamos lasers de diodo gabarito distribuído (DFB) acoplados à polarização-manutenção fibras junto com um detector de ganho/perda de Brillouin estimulado combinando uma ultrabanda estreita atômica de vapor de entalhe-filtro e uma alta frequência Single-modulação bloquear em amplificador, como ilustrado na Figura 1. Este esquema de deteção dobra a intensidade do sinal SBG reduzindo significativamente o ruído da intensidade de sonda, onde o sinal desejado da SBG é incorporado¹¹. Observe que a função do vapor atômico entalhe-filtro utilizado em nosso espectrómetro SBS é para reduzir significativamente a detecção de reflexos indesejados bomba perdida ao invés de diminuir o plano de fundo de dispersão elástica como espectrômetros VIPA que detectam os dois espontânea de Rayleigh e Brillouin dispersaram a luz. Usando o protocolo detalhado abaixo, um espectrômetro de CW-SBS pode ser construído com a capacidade de aquisição de espectros de transmissão de água e tecido fantasmas com níveis SBG tão baixos quanto 10^-6 no < precisão de medição 35 MHz Brillouin-turno e no prazo de 100 ms ou menos.

Figura 1: assemelhace estimulado Brillouin (CW-SBS) de dispersão espectrómetro. Dois assemelhace bomba e sonda lasers de diodo (DL), frequência dessintonizada próximo turno da Brillouin da amostra, são acoplados em polarização-mantendo as fibras monomodo com colimadores C₁ e C₂, respectivamente. A diferença de frequência de bomba-sonda é medida por detectar a frequência de batida entre vigas descascadas dos lasers de bomba e sonda usando um conjunto de divisores de fibra (FS), um fotodetector rápido (FPD) e um contador de frequência (FC). O feixe do sonda S-polarizado (luz vermelha), expandido usando um Kepler expansor de feixe (L₁ e L₂), é certo circularmente polarizada por uma placa de quarto de onda (λ₁4) e focada na amostra (S) por uma lente acromática (L.₃). Para interação efetiva do SBS e isolamento óptico, o feixe de bomba (vermelho escuro), expandido usando um expansor de feixe de Kepler (L₅ e L.₆), é primeiro usando uma placa de meia onda λ₂4 P-polarizado), transmitido através de um polarizador divisor (PBS), do feixe é finalmente deixou circularmente polarizada por uma placa de quarto de onda (λ₂4) e centrou-se a amostra com uma lente acromática (L₄; mesmo que L₃). Observe que as vigas da bomba e sonda quase Counter-propagam na amostra e que um polarizador orientado em S (P) foi usado para impedir que o raio da bomba P-polarizado (saindo de λ₁4) entre a sonda laser. Para bloquear em deteção, o feixe de bomba sinusoidaa é modulado em f_m com um modulador óptico-acústico (AOM). O sinal da SBG, manifestado como variações de intensidade, a frequência f_m (ver em baixo-relevo), é demodulado comum bloqueio no amplificador (LIA) após detecção por um fotodíodo de grande área (PD). Para eliminação significativa de reflexões de bomba perdida no fotodiodo, uma banda estreita filtro Bragg (BF) e um filtro de entalhe atômica (⁸⁵RB) em torno do comprimento de onda da bomba são usados ao lado com uma bloqueio de luz íris (I). Dados são registrados por uma placa de aquisição de dados (DAQ) conectada a um computador pessoal (PC) para posterior análise do espectro de Brillouin. Todos os espelhos de dobramento (₁M – M₆) são usados para caber o espectrômetro em um 18 ‘ x 24 ‘ de experimentação que é montado verticalmente na tabela óptica para facilitar a colocação das amostras aquosas. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.