Summary

عالية السرعة كونتينووسوافي برلين حفز نثر مطياف لتحليل المواد

Published: September 22, 2017
doi:

Summary

يصف لنا بناء مطياف (CW-SBS) continuous-وافي-حفز-برلين-نثر السريع. والمطياف يستخدم صمام ثنائي التردد الواحد-أشعة الليزر وعامل تصفية الشق بخار الذري للحصول على الأطياف نقل العينات عكر/غير-عكر مع الاستبانة الطيفية عالية في سرعات تصل إلى معززات أسرع من تلك القائمة CW SBS مطيافات. هذا التحسن يمكن تحليل المواد بريلوين عالية السرعة.

Abstract

وقد شهدت السنوات الأخيرة زيادة كبيرة في استخدام مطيافات برلين العفوية لعدم الاتصال تحليل المسألة لينة، مثل المحاليل والمواد الحيوية، مع أوقات اكتساب سريع. هنا، نحن مناقشة الجمعية العامة وحفز العملية برلين مطياف يستخدم نثر برلين (SBS) لقياس أطياف مكسب (SBG) برلين حفزت المياه والدهون على أساس مستحلب مثل الأنسجة العينات في وضع الإرسال مع < 10 ميجا هرتز الاستبانة الطيفية و < ميغاهرتز برلين–تحول 35 قياس الدقة في < السيدة 100 والمطياف يتكون من اثنين تقريبا مكافحة نشر كونتينووسوافي الليزر الضيقة-لينيويدث (CW) في 780 نانومتر detuning التردد الذي يتم فحصه من خلال المواد بريلوين التحول. باستخدام عامل تصفية الشق ساخنة روبيديوم 85 بخار ضيق جداً وكشف المرحلة الحساسة، والإشارة-إلى-الضوضاء-نسبة إشارة SBG يتعزز كثيرا مقارنة بالحصول عليها مع القائمة CW SBS مطيافات. وهذا التحسن يمكن قياس الأطياف SBG مع 100-fold يصل إلى اقتناء أسرع الأوقات، مما يسهل تحليل برلين عالية الاستبانة الطيفية وعالية الدقة من مواد لينة بسرعة عالية.

Introduction

عفوية التحليل الطيفي برلين قد أنشئت، في السنوات الأخيرة، كنهج قيماً للتحليل الميكانيكي للمواد اللينة، مثل السوائل، خلايا الأنسجة الحقيقية وأشباح الأنسجة البيولوجية21،، 3،،من45،،من67. في هذا النهج، ينير ليزر واحد العينة والخفيفة التي إينيلاستيكالي المنتشرة من الموجات الصوتية الحرارية عفوية في الأجلين المتوسط ويتم تجميع بواسطة مطياف، توفير معلومات مفيدة عن خصائص العينة لزج مطاطي. ويشمل الطيف برلين عفوية اثنين من قمم برلين ستوكس الصوتية والاصداء ستوكس المضادة المواد، وذروة رايليغ في تواتر الليزر المضيئة (بسبب الضوء المتناثرة الاستيكالي). لهندسة باكسكاتيرينج برلين، برلين الترددات يتم إزاحة بواسطة عدة غيغاهرتز من تواتر الليزر المضيئة والعرض الطيفي لمئات ميغاهيرتز.

بينما المسح مطيافات فابري-بيرو قد النظم اختيار الحصول على الأطياف بريلوين عفوية في المسألة لينة1،2، التطورات التكنولوجية الحديثة في تصويرها تقريبا المرحلة الصفيف (تشرف) وقد مكنت مطيافات القياسات (الفرعية الثانية) برلين أسرع بشكل ملحوظ مع كافية-الاستبانة الطيفية (sub-GHz)3،،من45،،من67. في هذا البروتوكول، نقدم بناء مختلفة، عالية السرعة، عالية الاستبانة الطيفية، ودقة برلين مطياف استناداً إلى الكشف عن الضوء (CW-SBS) continuous-وافي-حفز-برلين-نثر من غير عكره وعكر عينات في هندسة نثر قرابة الظهر.

في الأسلحة الكيميائية-SBS التحليل الطيفي، تتداخل كونتينووسوافي (CW) مضخة، ومسبار الليزر، detuned قليلاً في التردد، في عينة لحفز الموجات الصوتية. عندما تطابق تردد الفرق بين الحزم مضخة ومسبار صدى صوتية محددة المواد، التضخيم أو ديمبليفيكيشن من إشارة مسبار يتم توفيرها من قبل حفز بريلوين مكاسب أو خسائر العمليات (SBG/SBL)، على التوالي؛ وبخلاف ذلك، يحدث أي تضخيم SBS (de)8،9،،من1011. وهكذا، طيف SBG (SBL) يمكن اكتسابها من خلال مسح تردد الفرق بين الليزر عبر الأصداء برلين المادية والكشف عن الزيادة (النقصان)، أو الحصول (خسارة)، في كثافة التحقيق سبب SBS. خلافا في عفوية ونثر برلين، خلفية نثر مطاطا غائب أصلاً في SBS، تمكين التباين برلين ممتازة في عينات غير عكر عكر والخاص على حد سواء دون أي حاجة إلى مرشحات رفض رايليغ تشرف المطلوبة في مطيافات10،،من1113.

هي اللبنات الرئيسية من مطياف CW SBS الليزر مضخة والتحقيق وكشف برلين تحفز على الربح/الخسارة. للتحليل الطيفي عالية الاستبانة الطيفية، وارتفاع سرعة CW SBS، الليزر يجب أن تكون أحادية التردد (< لينيويدث 10 ميجاهرتز) مع ألواح واسعة بما فيه الكفاية للطول الموجي (20-30 GHz) ومعدل المسح الضوئي (> 200 جيجا هرتز/s)، الاستقرار الطويل الأمد في التردد (< 50 MHz/h) وكثافة منخفضة الضوضاء. وعلاوة على ذلك، أشعة الليزر مستقطبة خطيا وحيود محدودة مع سلطات مئات قليلة (عشرات) مطلوبة من أجل شعاع مضخة (المسبار) ميغاواط في العينة. وأخيراً، ينبغي تصميم كاشف بريلوين تحفز على الربح/الخسارة موثوق بها الكشف عن ضعف الخلف حفز بريلوين الربح/الخسارة (SBG/SBL) مستويات (10-5 -10-6) في المسألة الناعمة. ولتلبية هذه الاحتياجات، اخترنا ليزر صمام ثنائي التغذية المرتدة الموزعة (الاتحاد الألماني) بالإضافة إلى الحفاظ على الاستقطاب الألياف جنبا إلى جنب مع جهاز كشف الربح/خسارة برلين حفز الجمع ذرية الترا-ضيق بخار تصفية الشق وعالية تردد تعديل واحد قفل في مكبر للصوت كما هو موضح في الشكل 1. الزوجي هذا النظام الكشف عن كثافة إشارة SBG بينما إلى حد كبير الحد من الضوضاء في كثافة التحقيق، حيث إشارة SBG المطلوب هو مضمن11. لاحظ أن دور تصفية الشق بخار الذرية المستخدمة في مطياف SBS لدينا هو أن تقلل إلى حد كبير في الكشف عن تأملات مضخة طائشة غير المرغوب فيها بدلاً من انخفاض نثر مطاطا الخلفية كما هو الحال في مطيافات تشرف بالكشف عن كل رايليغ عفوية وبرلين متناثرة الضوء. استخدام البروتوكول بالتفصيل أدناه، يمكن بناؤها مطياف CW SBS مع القدرة على الحصول على انتقال أطياف أشباح الماء ونسيج مع SBG مستويات منخفضة تصل إلى 10-6 في < 35 ميغاهرتز برلين–تحول قياس الدقة و ضمن 100 مللي ثانية أو أقل.

Figure 1
رقم 1: كونتينووسوافي وحفز مطياف نثر (CW-SBS) برلين- تقترن اثنين كونتينووسوافي المضخة ومسبار صمام ثنائي ليزر (DL)، التردد detuned حول التحول في برلين العينة، إلى الحفاظ على الاستقطاب الألياف طريقة واحدة مع كوليماتورس جيم1 وجيم2، على التوالي. يتم قياس الفرق تردد المضخة-التحقيق عن طريق الكشف عن تكرار الفوز بين الحزم مقشرة من الليزر مضخة والتحقيق باستخدام مجموعة من الألياف شق (خ)، سرعة فوتوديتيكتور (FPD) وعداد تردد (FC). توسيع استخدام كيبليريان شعاع المتوسع (ل1 ول2)، حق دائري الاستقطاب بصفيحة ربع الموجه (λ14) شعاع مسبار الاستقطاب S (أحمر فاتح)، وركز على العينة (S) بعدسة achromatic (م3). SBS التفاعل الفعال وعزل البصري، شعاع مضخة (الأحمر العميق) وتوسيع نطاق استخدام موسع شعاع كيبليريان (ل5 وم6)، أول الأقطاب ف استخدام لوحة النصف موجه λ24)، ثم تنتقل من خلال استقطاب شعاع الخائن (PBS)، وأخيراً تركت دائري الاستقطاب بصفيحة ربع الموجه (λ24) وركزت على العينة مع عدسة achromatic (ل4؛ نفس ل3). ملاحظة أن عوارض مضخة ومسبار تقريبا مكافحة نشر في العينة وأن الليزر المستقطب المنحى S (P) واستخدمت للحيلولة دون دخول المسبار شعاع مضخة الاستقطاب P (الخروج من λ14). لقفل في الكشف، وشعاع مضخة هو التضمين سينوسويدالي fm مع المغير أكوستو ضوئية (أوم). إشارة SBG، يتبدى تغيرات كثافة في التردد fm (انظر الإطار الداخلي)، هو المسترجعة معقفل في مكبر للصوت (ليا) بعد الكشف عن مساحة كبيرة الضوئي (PD). كبير القضاء على تأملات مضخة الضآلة في الضوئي، تستخدم النطاق ضيق براج عامل تصفية (BF) وعامل تصفية الشق الذري (85م ع) حول الطول الموجي مضخة جنبا إلى جنب مع آيريس حجب الضوء (ط). ببطاقة اكتساب بيانات (دق) متصلة بجهاز كمبيوتر شخصي (PC) تسجيل البيانات لمزيد من تحليل الطيف بريلوين. وتستخدم جميع مرايا قابلة للطي (م1-M6) لتلائم والمطياف التوصيل ” × 24 ” 18 التي شنت عمودياً على الجدول الضوئية لتسهيل وضع عينات مائي. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Protocol

ملاحظة: ما لم ينص على خلاف ذلك، (ط) توصيل جميع يتصاعد لترحيل أصحاب وتشديد قواعد الوظيفة مع شوكة لقط أو قاعدة للجدول البصرية متزايدة، والإخراج (ثانيا) استخدام الليزر القوى من 2-10 ميغاواط لجميع إجراءات المواءمة. ملاحظة: قم بتشغيل كافة الأجهزة الكهربائية/الإلكترونية البصرية في…

Representative Results

الأرقام 2 و 3 عرض نموذجي الأطياف SBG نقطة من الماء المقطر والأنسجة الدهنية مستحلب قياس العينات الوهمية (مع 2.25 نثر الأحداث ومعامل توهين من 45 سم-1) ضمن 10 مللي ثانية و 100 مللي ثانية، على التوالي. للمقارنة، قمنا بقياس الأطياف SBG في 10 s كما هو موضح في الأر…

Discussion

تم تصميم النظام، هو مبين في الشكل 1، أن يكون مبنيا على ” 18 x 24 إنش التوصيل التي يمكن تركيبها عمودياً على طاولة بصرية، تيسير إيداع عينات مائي. كنتيجة لذلك، من المهم بشدة تشديد جميع العناصر البصرية والميكانيكية والتأكد من وجود عوارض مضخة ومسبار تربطها علاقة خطية متداخلة ومتحدة مع ال?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

الأشعة تحت الحمراء تشعر بالامتنان لمؤسسة ازريلي لمنح زمالة درجة الدكتوراه.

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

  1. 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).
  2. 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).
  3. Scarcelli, G., Yun, S. H. In vivo Brillouin optical microscopy of the human eye. Opt. Exp. 20 (8), 9197-9202 (2012).
  4. Scarcelli, G., et al. Noncontact three-dimensional mapping of intracellular hydromechanical properties by Brillouin microscopy. Nat. Methods. 12 (12), 1132-1134 (2015).
  5. 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).
  6. Antonacci, G., Foreman, M. R., Paterson, C., Török, P. Spectral broadening in Brillouin imaging. Appl. Phys. Lett. 103 (22), 221105 (2013).
  7. Antonacci, G., et al. Quantification of plaque stiffness by Brillouin microscopy in experimental thin cap fibroatheroma. J. R. Soc. Interface. 12 (112), 20150483 (2015).
  8. Grubbs, W. T., MacPhail, R. A. High resolution stimulated Brillouin gain spectrometer. Rev. Sci. Instrum. 65 (1), 34-41 (1994).
  9. 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).
  10. 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).
  11. Remer, I., Bilenca, A. High-speed stimulated Brillouin scattering spectroscopy at 780 nm. APL Photonics. 1 (6), 061301 (2016).
  12. 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).
  13. 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).

Play Video

Cite This Article
Remer, I., Cohen, L., Bilenca, A. High-speed Continuous-wave Stimulated Brillouin Scattering Spectrometer for Material Analysis. J. Vis. Exp. (127), e55527, doi:10.3791/55527 (2017).

View Video