소재 분석에 대 한 고속 연속파 자극된 브 릴 루 앵 산란 분 광 계
Summary
우리는 빠른 continuous-wave-자극-브 릴 루 앵-산란 (CW-SBS) 분석기의 건설을 설명합니다. 분석기는 단일 주파수 다이오드 레이저를 사용 하 여 및 높은 스펙트럼-해상도 탁/비-혼 탁 한 샘플의 전송 스펙트럼을 얻으려고 원자 증기 노치 필터 속도 최대 약 기존 CW-SBS 분석기의 그들 보다는 빨리. 이 개선 고속 브 릴 루 앵 소재 분석을 수 있습니다.
Abstract
최근 몇 년 동안 수성 솔루션 및 바이오 소재, 빠른 수집 시간 같은 부드러운 물질의 비 접촉 분석에 대 한 자발적인 브 릴 루 앵 분석기를 사용 하 여 중요 한 증가 목격 했다. 여기, 우리는 어셈블리를 토론 하 고 사용 하는 브 릴 루 앵 분석기의 작동으로 브 릴 루 앵 산란 (SBS) 물과 지질 유제-기반 조직 같은 샘플 전송 모드에서의 유도 브 릴 루 앵 이득 (SBG) 스펙트럼을 측정 하 자극 < 10 MHz 스펙트럼 분해능 및 < 35 MHz 브 릴 루 앵 시프트 측정 정밀도 <는 분석기 거의 반대 전파 780에서 연속파 (CW) 좁은 선 폭 레이저 2의 구성 100 양 nm 누구의 주파수 튠을 통해 검사는 소재 브 릴 루 앵 시프트입니다. 울트라-협대역 뜨거운 루비듐-85 증기 노치 필터와 위상에 민감한 검출기를 사용 하 여는 신호–노이즈-비율에 SBG 신호는 크게 향상 된 기존 CW-SBS 분석기로 얻은 것에 비해. 이 개선에는 시간, 그로 인하여 빠른 속도로 부드러운 소재의 높은 스펙트럼 분해능 및 높은-정밀 브 릴 루 앵 분석을 용이 하 게 최대 100 빠른 수집 SBG 스펙트럼의 측정 수 있습니다.
Introduction
자연 스러운 브 릴 루 앵 분광학에에서 설립 되었습니다, 액체, 등 부드러운 재료의 기계적 분석에 대 한 귀중 한 접근 방식으로 최근 몇 년 동안 진짜 조직, 조직 환영 및 생물 세포1,2, 3,,45,,67. 이 방법에서는, 단일 레이저 조명 샘플 하 고는 inelastically 매체에 자발적인 열 음향 파도에서 흩어져 빛 샘플의 점 탄성 특성에 유용한 정보를 제공 하는 분석기에 의해 수집 됩니다. 자발적인 브 릴 루 앵 스펙트럼 음향 스톡 및 소재의 반대로 스톡 공명 두 브 릴 루 앵 봉우리와 레일리 피크 (탄력적 흩어져 빛) 때문에 조명 레이저 주파수에 포함 되어 있습니다. 브 릴 루 앵 backscattering 형상에 대 한 브 릴 루 앵 주파수 조명 레이저 주파수에서 여러 g h z로 이동 하 고 수백 MHz의 스펙트럼 폭.
최근의 기술 진보에 거의 위상 배열 (VIPA) 몇 군데 동안 Fabry 페로 분석기를 스캐닝의 시스템 소프트 문제1,2자발적인 브 릴 루 앵 스펙트럼을 얻기 위한 선택, 분석기는 적절 한 스펙트럼 해상도 (하위-g h z)3,,45,,67훨씬 빠른 (초) 브 릴 루 앵 측정을 사용할 수 있습니다. 이 프로토콜에서는 계의 다른, 고속, 높은 스펙트럼 분해능, 정확한 브 릴 루 앵 비 탁 하 고 혼 탁 한에서 continuous-wave-자극-브 릴 루 앵-산란 (CW-SBS) 빛의 검출에 따라 건설 소개 거의 다시 산란 기에 샘플입니다.
CW-SBS 분광학, 연속파 (CW) 펌프와 프로브 레이저, 약간 주파수에 detuned 청각 파를 자극 하는 샘플에 겹칩니다. 펌프 및 프로브 광속의 주파수 차이 일치 하는 자료의 특정 음향 공명, 증폭 또는 프로브 신호의 deamplification에 의해 제공 됩니다 자극된 브 릴 루 앵 이득 또는 손실 (SBG/SBL) 프로세스, 각각; 그렇지 않으면, 아무 SBS (de) 증폭8,,910,11을 발생합니다. 따라서, SBG (SBL) 스펙트럼 소재 브 릴 루 앵 공명을 통해 레이저의 주파수 차이 검색 하 고 증가 (감소), 검출에 의해 취득 될 수 있다 또는 이득 (손실), 프로브 강도 SBS 때문에. 달리 자발적인 브 릴 루 앵 산란에서 탄성 산란 배경은 기본적으로 결 석 브 릴 루 앵 대조에 필요한 VIPA로 레일리 거부 필터 없이 탁 하 고 혼 탁 한 비 샘플에서 사용 하는 SBS에서 분석기10,11,13.
CW-SBS 분석기의 주요 구성 요소는 펌프와 프로브 레이저와 자극된 브 릴 루 앵 이득/손실 검출기 있습니다. 높은 스펙트럼 분해능, 고속 CW-SBS 분광학, 레이저 해야 단일 주파수 (< 10 MHz 선 폭) 충분히 넓은 파장 tunability (20-30 g h z)와 스캔 속도 (> 200 g h z/s), 장기 주파수 안정성 (< 50 MHz/h)와 낮은 강도 잡음. 또한, 선형 편광, 회절 제한 레이저 몇 백의 힘을 가진 광선 (수만) 샘플에 mW의 펌프 (프로브) 빔에 대 한 필요는. 마지막으로, 부드러운 문제에 약한 뒤 자극된 브 릴 루 앵 이득/손실 (SBG/SBL) 수준 (10-5 -10-6)를 안정적으로 감지 하 자극된 브 릴 루 앵 이득/손실 검출기를 설계 한다. 이러한 요구에 맞게, 우리는 분산된 피드백 (DFB) 다이오드 레이저 편광을 유지 하기 위해 결합을 선택 울트라-협대역 원자를 결합 하는 자극된 브 릴 루 앵 이득/손실 검출기 함께 섬유 증기 노치 필터 및 높은 주파수 단일 변조 잠금 증폭기 그림 1에서 그림으로. 이 탐지 체계는 원하는 SBG 신호는 포함된11프로브 강도, 노이즈를 크게 줄이면서 SBG 신호 강도 두배로 한다. 우리의 SBS 분석기에 사용 된 원자 증기 노치 필터의 역할은 감소 모두 감지 VIPA 분석기에서 탄성 산란 배경 보다는 크게 원치 않는 길 잃은 펌프 반사의 탐지를 줄이기 위해 note 자발적인 레일리와 브 릴 루 앵 흩어져 빛. 아래 상세한 프로토콜을 사용 하 여, CW-SBS 분석기 건설할 수 있다 SBG 레벨 10-6 에서 낮은 물과 조직 팬텀의 전송 스펙트럼을 취득의 기능 < 35 MHz 브 릴 루 앵 시프트 측정 정밀도 및 100 밀리초 안에.
그림 1: 연속파 자극 브 릴 루 앵 산란 (CW-SBS) 분석기. 2 연속파 펌프와 프로브 다이오드 레이저 (DL), 주파수 샘플의 브 릴 루 앵 shift 주위 detuned는 결합 분극-유지 싱글 모드 섬유에 지닌 C1 와 C2, 각각. 펌프-프로브 주파수 차이 섬유 스플리터 (FS), 빠른 매칭 (FPD)와 주파수 카운터 (FC)의 집합을 사용 하 여 펌프와 프로브 레이저에서 벗 겨 서 까 래 사이의 비트 주파수를 감지 하 여 측정 됩니다. S-편광 프로브 빔 (라이트 레드), Keplerian 빔 익 스팬 더 (L1 와 L2)는 바로 원형으로 분기 웨이브 플레이트 (λ1/4)에 의해 편광을 사용 하 여 확장 하 고 achromatic 렌즈 (L3)에 의해 샘플 (S)에 집중. 효과적인 SBS 상호 작용 및 광학 절연을 위해 Keplerian 빔 확장기 (L5 와 L6)를 사용 하 여 확장 펌프 빔 (딥 레드)은 먼저 P-편광 반 파 판 λ2/4를 사용 하 여), 편광을 통해 전송 빔 스플리터 (PBS), 그리고 마지막으로 왼쪽 원형으로 분기 웨이브 플레이트 (λ2/4)에 의해 편광 이며 achromatic 렌즈 (L4, L3와 동일) 샘플에 초점을 맞춘. Note는 펌프 및 프로브 광속 거의 반대 전파 샘플에서 하 고는 S 지향 편광판 (P) 프로브 입력에서 P-편광 펌프 빔 (λ1/4에서 나오는)를 방지 하기 위해 사용 된 레이저. 잠금 검색, 펌프 빔 사인 fm acousto 광학 변조기 (AOM)에서 조절 된다. SBG 신호를 주파수 fm 에서 강도 편차로 각 성 (삽입 참조)와 복조한 잠금 증폭기 (LIA) 큰 영역 포토 다이오드 (PD)에 의해 감지에 따라. 광다이오드에 길 잃은 펌프 반사의 중요 한 제거, 협대역 브래그 필터 (BF)와 펌프 파장 주위 원자 노치 필터 (85RB) 사용 된다 함께 빛 차단 아이리스 (I)와 함께. 데이터는 브 릴 루 앵 스펙트럼의 추가 분석을 위해 데이터 수집 카드 (DAQ) 개인용 컴퓨터 (PC)에 연결 하 여 기록 됩니다. 모든 접이식 거울 (M1-M6) 물 샘플의 배치를 촉진을 위한 광학 테이블에 수직으로 장착 된 18 ‘ × 24 ‘ 브레드보드에는 분석기에 맞게 사용 됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
Protocol
Representative Results
Discussion
그림 1에 표시 된 시스템, 물 샘플의 배치를 용이 하 게 하는 광학 테이블에 수직으로 거치 될 수 있다 18 “x 24” 브레드보드는에 건설 하도록 설계 되었습니다. 결과적으로, 그것은 강력 하 게 모든 광학 및 기계 요소를 강화 하 고 펌프 및 프로브 광속 선적 및 꺼짐-축 형상에 샘플을 조명 하기 전에 다양 한 요소와 동심 인지 확인 하는 것이 중요.
신호를 얻이 자극된…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
IR은 아즈 재단 박사 친목 수상에 대 한 감사.
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).
