Ad alta velocità continuo-fluttui stimolato Brillouin Scattering spettrometro per analisi materiali

La spettroscopia Brillouin spontanea è stata stabilita negli ultimi anni, come un valido approccio per l’analisi meccanica di materiali morbidi, come liquidi, vero e proprio tessuto, tessuto fantasmi e biologico cellule^{1,2, 3,4,5,6,7}. In questo approccio, un singolo laser illumina il campione e luce che è inelastically sparsa da onde acustiche termiche spontanee nel medio viene raccolta da uno spettrometro, fornendo informazioni utili sulle proprietà viscoelastiche del campione. Lo spettro di Brillouin spontaneo comprende due picchi di Brillouin all’acustica Stokes e risonanze di anti-Stokes del materiale e un picco di Rayleigh alla frequenza laser illuminante (a causa di elasticamente la diffusione della luce). Per una geometria di retrodiffusione di Brillouin, le frequenze di Brillouin sono spostate di diversi GHz dalla frequenza laser illuminante e larghezza spettrale di centinaia di MHz.

Mentre Fabry-Perot spettrometri di scansione sono stati i sistemi di scelta per l’acquisizione di spettri di Brillouin spontanei in materia soffice^1,2, i recenti progressi tecnologici in imaged praticamente matrice di fase (VIPA) spettrometri hanno permesso significativamente più veloce misure (frazioni di secondo) Brillouin con adeguata risoluzione spettrale-(sub-GHz)^3,4,5,6,7. In questo protocollo, vi presentiamo la costruzione di uno spettrometro Brillouin diverso, ad alta velocità, alta risoluzione spettrale, accurata basata sulla rilevazione di continuo-fluttui-stimolato–scattering Brillouin (CW-SBS) luce da non-torbido e torbido campioni in una geometria quasi back scattering.

Nella spettroscopia CW-SBS, continuo-fluttui (CW) pompa e sonda laser, leggermente depotenziato in frequenza, si sovrappongono in un campione di stimolare le onde acustiche. Quando la differenza di frequenza tra la pompa e sonda le travi corrisponde una specifica risonanza acustica del materiale, amplificazione o si del segnale sonda sono fornito dal stimolato Brillouin guadagno o perdita di processi (SBG/SBL), rispettivamente; in caso contrario, nessuna amplificazione di SBS (de) si verifica^8,9,10,11. Così, uno spettro di SBG (SBL) può essere acquisita da scansione la differenza di frequenza tra i laser attraverso le risonanze di Brillouin materiale e rilevare l’incremento (riduzione), o utile (perdita), dell’intensità di sonda a causa di SBS. A differenza di scattering Brillouin spontaneo, sfondo di scattering elastico è intrinsecamente assente in SBS, abilitazione eccellente contrasto di Brillouin in campioni sia torbidi e non torbida senza necessità di Rayleigh rifiuto filtri come richiesto in VIPA spettrometri^10,11,13.

I principali elementi costitutivi di uno spettrometro di CW-SBS sono i laser di pompa e sonda e il rilevatore di guadagno/perdita di Brillouin stimolato. Per la spettroscopia ad alta risoluzione spettrale, alta velocità CW-SBS, i laser devono essere singola frequenza (< 10 MHz linewidth) con accordabilità sufficientemente ampia lunghezza d’onda (20-30 GHz) e frequenza di scansione (> 200 GHz/s), stabilità di frequenza a lungo termine (< 50 MHz/h) e il rumore di bassa intensità. Inoltre, linearmente polarizzato e limitata diffrazione laser travi con poteri di poche centinaia (decine) di mW sul campione sono richieste per il fascio di pompa (sonda). Infine, il rilevatore di guadagno/perdita di Brillouin stimolato dovrebbe essere progettato per rilevare in modo affidabile debole stimolata con le versioni precedenti livelli Brillouin guadagno/perdita (SBG/SBL) (10^-5 – 10^-6) in materia soffice. Per soddisfare queste esigenze, abbiamo selezionato il laser a diodi feedback distribuito (DFB) accoppiato al mantenimento di polarizzazione fibre insieme a un rilevatore di guadagno/perdita Brillouin stimolato combinando un ultra-a banda stretta atomic vapor filtro notch e un’ad alta frequenza singolo-modulazione di lock-in amplificatore come illustrato nella Figura 1. Questo schema di rilevamento raddoppia l’intensità del segnale SBG riducendo in modo significativo il rumore dell’intensità della sonda, dove il segnale desiderato SBG è incorporato¹¹. Si noti che il ruolo del vapore atomico tacca-filtro utilizzato nel nostro spettrometro SBS è di ridurre in modo significativo la rilevazione di riflessioni indesiderate randagi pompa piuttosto che diminuire lo sfondo di scattering elastico come spettrometri VIPA che rilevano sia spontaneo Rayleigh e Brillouin luce sparsa. Utilizzando il protocollo descritto di seguito, uno spettrometro di CW-SBS può essere costruito con la capacità di acquisire spettri di trasmissione dei fantasmi di acqua e tessuto con livelli SBG à partir de 10^-6 a < Precisione di misura 35 MHz Brillouin-MAIUSC e entro 100 ms o meno.

Figura 1: continuo-fluttui Stimulated Brillouin Scattering (CW-SBS) spettrometro. Due continuo-fluttui pompa e sonda laser a diodi (DL), frequenza detuned intorno il turno di Brillouin del campione, sono accoppiati in fibre monomodali di mantenimento di polarizzazione con collimatori C₁ e C₂, rispettivamente. La differenza di frequenza della pompa-sonda è misurata rilevando la frequenza di battimento tra travi pelati dalla pompa e sonda laser utilizzando un set di divisori di fibra (FS), una cellula fotoelettrica veloce (FPD) e un contatore di frequenza (FC). Il fascio sonda S-polarizzata (rosso chiaro), espanso utilizzando un kepleriano beam expander (L₁ ed L₂), è giusto circolarmente polarizzata da una piastra a quarto d’onda (λ₁4) e focalizzato sul campione (S) da una lente acromatica (L.₃). Per l’interazione effettiva di SBS e isolamento ottico, il fascio di pompa (profondo rosso), espanso utilizzando un espansore del fascio kepleriano (L₅ e L₆), è in primo luogo utilizzando una piastra di mezza onda λ₂4 P-polarizzato), poi trasmesso attraverso una polarizzazione beam splitter (PBS), è infine sinistra circolarmente polarizzata da una piastra a quarto d’onda (λ₂4) e focalizzato sul campione con una lente acromatica (L₄; L₃). Si noti che la pompa e sonda le travi quasi Counter-propagano nel campione e che un polarizzatore orientato su S (P) è stato usato per impedire l’ingresso della sonda il fascio di pompa P-polarizzato (uscendo λ₁4) laser. Per il rilevamento di lock-in, il fascio di pompa è modulato sinusoidalmente a f_m con un modulatore acusto-ottico (AOM). Il segnale SBG, manifestato come la variazione dell’intensità di frequenza f_m (vedi riquadro), è demodulato conun lock-in amplifier (LIA) dopo il rilevamento di un fotodiodo di grande superficie (PD). Per eliminazione significativa delle riflessioni di randagi pompa a fotodiodo, una banda stretta filtro Bragg (BF) e un filtro notch atomico (⁸⁵RB) intorno alla lunghezza d’onda di pompa sono utilizzati insieme ad con un iride luce di blocco (I). Dati viene registrati da una scheda di acquisizione dati (DAQ) collegata ad un personal computer (PC) per ulteriori analisi dello spettro di Brillouin. Tutti gli specchi piegantesi (M₁– M₆) vengono utilizzati per montare lo spettrometro su di una breadboard ‘ × 24’ 18 che è montato verticalmente sul tavolo ottico per facilitare il posizionamento dei campioni acquosi. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.