Spectromètre à diffusion Brillouin stimulée onde continue à grande vitesse pour l’analyse des matériaux

La spectroscopie Brillouin spontanée a été établie, ces dernières années, une approche utile pour l’analyse mécanique des matériaux mous, tels que les liquides, véritable tissu, fantômes de tissu et biologique des cellules^{1,2, 3,4,5,6,7}. Dans cette approche, un seul laser éclaire l’échantillon et la lumière qui est inélastiquement diffusée par des ondes acoustiques thermiques spontanés dans le milieu est collectée par un spectromètre, fournissant des informations utiles sur les propriétés viscoélastiques de l’échantillon. Le spectre de Brillouin spontané comprend deux pics de Brillouin à l’acoustique Stokes et résonances anti-Stokes du matériel et un pic de Rayleigh à la fréquence du laser éclairant (due à la lumière élastiquement épars). Pour une géométrie de rétrodiffusion Brillouin, les fréquences de Brillouin sont décalés de plusieurs GHz de la fréquence du laser éclairant et ont une largeur spectrale de centaines de MHz.

Numérisation des spectromètres de Fabry-Perot a eu le systèmes de choix pour l’acquisition des spectres Brillouin spontanées en matière molle^1,2, les progrès technologiques récents dans imagés pratiquement tableau phase (VIPA) spectromètres ont permis à des mesures de (seconde) Brillouin nettement plus rapides avec adéquat-résolution spectrale (sub-GHz)^3,4,5,6,7. Dans ce protocole, nous présentons la construction d’un différent, haute vitesse, haute résolution spectrale, précise Brillouin spectromètre basé sur la détection de la lumière (CW-SBS) continuous-ondulatoire-stimulé–diffusion Brillouin non turbide et turbides échantillons dans une géométrie de diffusion presque arrière.

En spectroscopie CW-SBS, onde continue (CW) pompe sonde lasers et, légèrement désaccordés en fréquence, se chevauchent dans un échantillon de stimuler des ondes acoustiques. Lorsque la différence de fréquence entre la pompe et sonde poutres correspond à une résonance acoustique spécifique du matériau, amplification ou sous-évaluation du signal de la sonde est fournie par gain de Brillouin stimulée ou la perte des processus (SBG/PPE), respectivement ; Sinon, aucune amplification SBS (de) s’effectue à^8,9,10,11. Ainsi, un spectre de SBG (SBL) peuvent être acquis par la différence de fréquence entre les lasers sur les résonances de Brillouin matériels de numérisation et de détecter l’augmentation (diminution) ou gain (perte), de l’intensité de la sonde en raison de la SBS. Contrairement à la diffusion Brillouin spontanée, fond de diffusion élastique est intrinsèquement absente dans SBS, permettant l’excellent contraste de Brillouin dans des échantillons de troubles et non-trouble sans avoir besoin de filtres de rejet de Rayleigh comme requis dans VIPA spectromètres^10,11,13.

Les principales composantes d’un spectromètre de CW-SBS sont les lasers de pompe et de la sonde et le détecteur de gain/perte de Brillouin stimulé. Pour la spectroscopie de haute résolution spectrale, à grande vitesse CW-SBS, les lasers doivent être à fréquence unique (< linewidth 10 MHz) avec la première longueur d’onde suffisamment large (20-30 GHz) et taux d’echantillonage (> 200 GHz/s), stabilité à long terme de fréquence (< 50 MHz/h) et des bruits de faible intensité. En outre, les faisceaux de linéairement polarisé et limitée par la diffraction laser avec des puissances de quelques centaines (RTE) mW sur l’échantillon sont nécessaires pour le faisceau de la pompe (sonde). Enfin, le détecteur de gain/perte de Brillouin stimulé devrait viser à détecter de manière fiable faible en arrière niveau stimulée de Brillouin gain/perte (SBG/SBL) (10^-5 – 10^-6) en matière molle. Pour répondre à ces besoins, nous avons sélectionné les lasers à rétroaction répartie (DFB) diode couplés à maintien de polarisation des fibres avec un détecteur de gain/perte de Brillouin stimulé combinant un ultra-rayonnement ionisants vapor-filtre et une haute fréquence Single-modulation amplificateur à verrouillage tel qu’illustré à la Figure 1. Ce système de détection en double l’intensité du signal SBG tout en réduisant considérablement le bruit de l’intensité de la sonde, où le signal désiré de SBG est incorporé¹¹. Notez que le rôle de la vapeur atomique-filtre utilisé dans notre spectromètre SBS est de réduire significativement la détection des reflets indésirables pompe errants plutôt que de diminuer le fond de diffusion élastique comme les spectromètres de VIPA qui détectent tous les deux spontanée de Rayleigh et de Brillouin dispersés lumière. En utilisant le protocole détaillé ci-dessous, un spectromètre CW-SBS peut être construit avec la capacité d’acquisition des spectres de transmission des fantômes de tissu et l’eau avec des niveaux SBG aussi basses que 10^-6 à < précision de mesure 35 MHz Brillouin-Maj et moins de 100 ms ou moins.

Figure 1 : onde continue stimulée par spectromètre (CW-SBS) la diffusion Brillouin. Deux onde continue pompe et sonde les lasers à diode (DL), fréquence désaccordé autour de la Maj de Brillouin de l’échantillon, sont couplées en maintenant la polarisation des fibres monomode avec collimateurs C₁ et C₂, respectivement. La différence de fréquence de pompe-sonde est mesurée en détectant la fréquence de battement entre poutres pelées des lasers de pompe et de la sonde à l’aide d’un ensemble de séparateurs fibre (FS), un photodétecteur rapide (FPD) et un compteur de fréquence (CF). Le faisceau sonde polarisation S (rouge), élargi à l’aide d’un képlérienne faisceau expander (L₁ et L₂), est droite circulairement polarisée par une lame quart d’onde (λ₁4) et axée sur l’échantillon (S) par une lentille achromatique (L₃). Pour une interaction efficace SBS et isolation optique, le faisceau de la pompe (rouge foncé), élargi à l’aide d’un extenseur de faisceau képlérienne (L₅ et L₆), est d’abord P-polarisé à l’aide d’une plaque demi onde λ₂4), puis transmis à travers un polarisant Beam splitter (PBS) et est finalement gauche circulairement polarisée par une lame quart d’onde (λ₂4) et axés sur l’échantillon avec une lentille achromatique (L₄; même que L₃). Notez que les poutres de la pompe et la sonde près Counter-propagent dans l’échantillon et qui un polariseur axée sur le S (P) a été utilisée pour empêcher l’entrée de la sonde de la poutre de polarisation P pompe (sortant de λ₁4) laser. Pour la détection de blocage, le faisceau de la pompe est sinusoïdal modulé à f_m avec un modulateur acousto-optique (AOM). Le signal SBG, se manifestant par des variations d’intensité à la fréquence f_m (voir encadré), est démodulée avecun amplificateur à verrouillage (LIA) après la détection par une photodiode de grande surface (DP). Pour élimination importante des réflexions parasites pompe dans la photodiode, une bande étroite filtre Bragg (BF) et un filtre atomique (⁸⁵RB) autour de la longueur d’onde de pompe sont utilisés aux côtés avec un iris occultants (I). Données sont enregistrées par une carte d’acquisition de données (DAQ) connectée à un ordinateur personnel (PC) pour une analyse ultérieure du spectre Brillouin. Tous les miroirs pliants (₁M – M₆) sont utilisés pour adapter le spectromètre sur un montage d’essai 18” x 24” qui est monté verticalement sur la table optique pour faciliter le placement des échantillons aqueux. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.