High-Speed Continuous-wave gestimuleerd Brillouin verstrooiing Spectrometer voor materiaal analyse

Spontane Brillouin spectroscopie is vastgesteld, in de afgelopen jaren, als een waardevolle aanpak voor de mechanische analyse van zachte materialen, zoals vloeistoffen, echte weefsel, weefsel fantomen en biologische cellen^{1,2, 3,4,},^5,,^6,7. In deze benadering, een enkele laser verlicht het monster en licht dat is inelastically verspreid van spontane thermische akoestische golven in het medium is verzameld door een spectrometer, het verstrekken van nuttige informatie over de visco-eigenschappen van het monster. De spontane Brillouin spectrum omvat twee Brillouin pieken bij de akoestische Stokes en anti-Stokes resonanties van het materiaal, en een piek van Rayleigh in de verhelderende laser-frequentie (als gevolg van elastisch verstrooide licht). Voor een Brillouin backscattering geometrie, de Brillouin frequenties worden verschoven door verschillende GHz van de lichtdoorlatende laser-frequentie en spectrale breedte van honderden MHz.

Terwijl de systemen-van-keuze voor het verwerven van spontane Brillouin spectra in zachte materie^1,2scannen Fabry-Pérot spectrometers geweest, de recente technologische vooruitgang in vrijwel fase matrix (VIPA) beeld spectrometers hebt ingeschakeld aanzienlijk sneller (sub-seconde) Brillouin metingen met voldoende spectrale resolutie (sub-GHz)^3,4,5,6,7. In dit protocol presenteren wij de bouw van een verschillende, hoge snelheid, hoge spectrale resolutie, nauwkeurige Brillouin spectrometer gebaseerd op de detectie van continuous-wave-gestimuleerd-Brillouin-verstrooiing (CW-SBS) licht van niet-troebel en troebel monsters in een bijna terug verstrooiing geometrie.

In CW-SBS spectroscopie overlappen continuous-wave (CW) pomp en sonde lasers, licht ontstemd in frequentie, in een monster te stimuleren van akoestische golven. Als het frequentie verschil tussen de pomp en sonde balken overeenkomt met een specifieke akoestische resonantie van het materiaal, wordt versterking of deamplification van het signaal van de sonde verzorgd door gestimuleerde Brillouin winst of verlies (SBG/SBL) processen, respectievelijk; anders treedt er geen SBS (de) versterking op^8,9,10,11. Dus, een spectrum van SBG (SBL) kan worden verkregen door het scannen van het frequentie verschil tussen de lasers over de materiële Brillouin resonanties en opsporen van de toename (afname), of winst (verlies), in de intensiteit van de sonde als gevolg van SBS. In tegenstelling tot in spontane Brillouin verstrooiing, elastische verstrooiing achtergrond is inherent afwezig in SBS, waardoor uitstekende Brillouin contrast in troebel zowel niet-troebel monsters zonder enige noodzaak voor Rayleigh afwijzing filters als vereist in VIPA spectrometers^10,11,13.

De belangrijkste bouwstenen van een spectrometer CW-SBS zijn de pomp en sonde lasers en de gestimuleerd Brillouin winst/verlies detector. Voor hoge spectrale resolutie, hoge snelheid CW-SBS spectroscopie, moeten de lasers single-frequentie (< 10 MHz linewidth) met voldoende breed golflengte tunability (20-30 GHz) en scannen (> 200 GHz/s), de stabiliteit van de frequentie van de lange termijn (< 50 MHz/h) en lage intensiteit lawaai. Bovendien, lineair gepolariseerde en diffractie-limited laser balken met bevoegdheden van enkele honderden (tientallen) van mW op monster nodig zijn voor de pomp (sonde) bundel. Tot slot moet de gestimuleerd Brillouin winst/verlies detector worden ontworpen om betrouwbaar detecteren van zwakke neerwaarts gestimuleerd Brillouin winst/verlies (SBG/SBL) niveaus (10^-5 – 10^-6) in zachte materie. Om aan deze behoeften voldoen, geselecteerd we gedistribueerde feedback (DFB) diodelasers gekoppeld aan het behoud van polarisatie vezels samen met een gestimuleerd Brillouin winst/verlies detector combineren een ultra-smalband atomaire damp inkeping-filter en een hoge-frequentie single-modulatie lock-in versterker als geïllustreerd in Figuur 1. Deze regeling detectie verdubbelt de intensiteit van het signaal van de SBG terwijl het aanzienlijk verminderen van lawaai in de intensiteit van de sonde, waar het gewenste signaal van de SBG ingesloten^{11 is}. Merk op dat de rol van de atomaire damp inkeping-filter gebruikt in onze SBS spectrometer is aanzienlijk te verminderen de detectie van ongewenste verdwaalde pomp reflecties in plaats van te verlagen van de elastische verstrooiing achtergrond zoals in VIPA spectrometers, die zowel detecteert spontane Rayleigh en Brillouin verspreid licht. Met behulp van het protocol die hieronder worden beschreven, een CW-SBS-spectrometer figuur kan worden geconstrueerd met de mogelijkheid van het verwerven van transmissie spectra van water en weefsel phantoms met SBG niveaus zo laag als 10^-6 op < 35 MHz Brillouin-shift meting precisie en binnen 100 ms of minder.

Figuur 1: Continuous-wave gestimuleerd Brillouin verstrooiing (CW-SBS) Spectrometer. Twee continuous-wave pomp en sonde diodelasers (DL), frequentie rond de Brillouin verschuiving van het monster, ontstemd zijn gekoppeld in behoud van polarisatie enkelvoudige modus vezels collimator C₁ en C₂, respectievelijk. De pomp-sonde frequentie verschil wordt gemeten door het detecteren van de beat frequentie tussen balken geschild van de pomp en sonde lasers met behulp van een set van vezel splitters (FS), een snelle foto (FPD)-elektrische cel en een frequentie counter (FC). De sonde S-gepolariseerd licht (licht rood), uitgebreid met behulp van een Kepleriaanse balk expander (L₁ en L₂), klopt circulair gepolariseerd door een kwart-golf-plaat (lambda₁van /4) en gericht op het monster (S) door een achromatische lens (L₃). Voor effectieve SBS interactie en optische isolatie, de pomp lichtbundel (diepe rode), uitgebreid met behulp van een Kepleriaanse balk expander (L₅ en L₆), is eerst P-gepolariseerde met behulp van een half-golf plaat λ₂/4), vervolgens verzonden via een polariserende balk splitter (PBS), ten slotte links circulair gepolariseerd door een kwart-golf-plaat (lambda₂van /4) en is gericht op het monster met een achromatische lens (L₄; hetzelfde als L₃). Merk op dat de pomp en sonde balken bijna tegen in de steekproef uitdragen en die een S-georiënteerde polarisator (P) werd gebruikt om te voorkomen dat de lichtbundel van de P-gepolariseerde pomp (uit λ₁/4) de sonde laser. Voor de lock-in detectie, is de pomp bundel sinusoidally gemoduleerd op f_m met een akoestisch-optische modulator (AOM). Het signaal van de SBG, manifesteerde als intensiteit variaties op frequentie f_m (zie inzet), is gedemoduleerd meteen lock-in versterker (LIA) na detectie van een groot-gebied fotodiode (PD). Voor belangrijke eliminatie van verdwaalde pomp reflecties in de fotodiode, worden een smalband Bragg filter (BF) en een atomaire notch filter (⁸⁵RB) rond de pomp golflengte gebruikt naast met een licht-blokkerende iris (I). Gegevens is geregistreerd door een overname gegevenskaart (DAQ) aangesloten op een personal computer (PC) voor verdere analyse van het spectrum Brillouin. Alle opklapbare spiegels (M₁– M₆) worden gebruikt om de spectrometer op een 18” × 24” breadboard die verticaal gemonteerd is op de optische tafel voor het vergemakkelijken van de plaatsing van waterige monsters past. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.