High-Speed-Dauerstrich-stimulierten Brillouin-Streuung Spektrometer für Materialanalyse

Spontane Brillouin-Spektroskopie wurde eingerichtet, in den letzten Jahren als ein wertvollen Ansatz für die mechanische Analyse von weichen Materialien, wie z. B. Flüssigkeiten, echte Gewebe, Gewebe-Phantome und biologische Zellen^{1,2, 3,4,5,6,7}. Bei diesem Ansatz ein einzelner Laser beleuchtet die Probe und Licht, das von spontanen thermische akustische Wellen im Medium inelastisch gestreut wird durch ein Spektrometer, die nützliche Informationen über die viskoelastischen Eigenschaften der Probe gesammelt. Das spontane Brillouin-Spektrum umfasst zwei Brillouin-Peaks bei der akustischen Stokes und Anti-Stokes Resonanzen des Materials und eine Rayleigh Peak bei den leuchtenden Laser-Frequenz (durch elastisch gestreutes Licht). Für eine Brillouin backscattering Geometrie die Brillouin-Frequenzen werden von einigen GHz von der leuchtenden Laser Frequenz verschoben und spektrale Breite von Hunderten von MHz.

Während Scannen Fabry-Perot-Spektrometern die Systeme wurden der Wahl für den Erwerb der spontane Brillouin-Spektren in weicher Materie^1,2, abgebildet die jüngsten technologischen Fortschritte in nahezu Phase Array (VIPA) Spektrometer konnten deutlich schnellere (unter einer Sekunde) Brillouin-Messungen mit angemessenen Spektralauflösung (Sub-GHz)^3,4,5,6,7. In diesem Protokoll präsentieren wir den Bau eines anders, High-Speed, hohe spektrale Auflösung, genaue Brillouin Spektrometers basiert auf dem Nachweis von continuous-Hohlleiter-stimuliert-Brillouin-Streuung (CW-SBS) Licht nicht trüben und trübe Proben in einer fast zurück Streugeometrie.

In CW-SBS-Spektroskopie überlappen sich Dauerstrich-(CW) Pumpe und Sonde Laser, leicht verstimmt in der Frequenz, in einer Probe, Schallwellen zu stimulieren. Wenn die Frequenzdifferenz zwischen der Pumpe und Sonde strahlen eine besondere akustische Resonanz des Materials entspricht, Verstärkung oder Deamplification des Signals Sonde durch stimulierte Brillouin-Gewinn oder Verlust (SBG/SBL) Prozesse, bzw. erfolgt; Ansonsten erfolgt keine SBS (de) Verstärkung^8,9,10,11. So ein Spektrum der SBG (SBL) können durch die Frequenzdifferenz zwischen den Laser über die materiellen Brillouin-Resonanzen scannen und erkennen die Erhöhung (Senkung) erworben werden, oder gewinnen (Verlust), an der Sonde Intensität durch SBS. Im Gegensatz zu in spontane Brillouin-Streuung, elastischen Streuung Hintergrund ist von Natur aus nicht vorhanden in SBS, ermöglicht hervorragende Brillouin Kontrast in trübe und nicht trüben Proben ohne Notwendigkeit einer Rayleigh Ablehnung Filter als erforderlich in VIPA Spektrometer^10,11,13.

Die wichtigsten Bausteine eines CW-SBS-Spektrometers sind die Pumpe und Sonde Laser und stimulierte Brillouin-Gewinn/Verlust-Detektor. Für hohe spektrale Auflösung, high-Speed CW-SBS-Spektroskopie, die Laser einphasiger sein müssen (< 10 MHz Linewidth) mit ausreichend breiten Wellenlänge Einstellbarkeit (20-30 GHz) und Abtastrate (> 200 GHz/s), langfristige Frequenzstabilität (< 50 MHz/h) und geringer Intensität Lärm. Darüber hinaus linear polarisiert und Beugung begrenzte Laserstrahlen mit Kräften von ein paar hundert (ten) von mW auf der Probe sind erforderlich für die Pumpstrahl (Sonde). Schließlich sollte der stimulierte Brillouin-Gewinn/Verlust-Detektor soll zuverlässig erkennen, schwache nach hinten stimulierte Brillouin Gewinn/Verlust (SBG/SBL) Ebenen (10^-5 – 10^-6) in weicher Materie. Um diese Anforderungen zu erfüllen, wir verteilten Feedback (DFB) Diodenlaser gekoppelt mit Polarisation beibehalten ausgewählt Fasern zusammen mit einen stimulierten Brillouin Gewinn/Verlust Detektor verbindet eine Ultra-Schmalband-atomaren Dampf Notch-Filter und eine hohe Frequenz Single-Modulation Lock-in-Verstärker wie in Abbildung 1dargestellt. Diese Erkennung Regelung verdoppelt sich die Intensität des Signals SBG und erheblich reduzieren Lärm in der Sonde Intensität, wo das Nutzsignal SBG eingebettete¹¹ist. Beachten Sie, dass die Rolle der atomaren Dampf-Kammfilter in unserem SBS-Spektrometer verwendet, die Erkennung von unerwünschten streunende Pumpe Reflexionen deutlich zu reduzieren, anstatt der elastischen Streuung Hintergrund wie bei VIPA-Spektrometern zu verringern, die beide erkennen spontane Rayleigh und Brillouin zerstreut Licht. Unter Verwendung des Protokolls, die unten genau geschildert, ein CW-SBS-Spektrometer kann konstruiert werden, mit der Möglichkeit des Erwerbs von Transmissionsspektren von Wasser und Gewebe Phantome mit SBG so niedrig wie 10^-6 am < 35 MHz Brillouin-Schicht Messgenauigkeit und innerhalb von 100 ms oder weniger.

Abbildung 1: Dauerstrich-stimulierte Brillouin-Streuung (CW-SBS) Spektrometer. Zwei Dauerstrich-Pumpe und Sonde Diodenlaser (DL), Frequenz, um die Brillouin-Verschiebung der Probe, verstimmt sind in Polarisation Aufrechterhaltung Monomode-Fasern mit Kollimatoren C₁ und C₂, gekoppelt. Die Frequenzdifferenz Pumpe-Sonde wird gemessen, indem er erkennt die Schwebungsfrequenz zwischen den Balken von der Pumpe und Sonde Lasern mit einem Satz von Faser-Splitter (FS), einen schnellen Photodetektor (FPD) und einem Frequenzzähler (FC) geschält. Der S-polarisierte Sonde Strahl (hellrot), mit einer Keplerschen Beam Expander (L₁ und L₂), stimmt zirkular polarisiert durch eine Viertel-Wellenlängen-Platte (λ₁4) erweitert und konzentrierte sich auf die Probe (S) durch eine achromatische Linse (L₃). Für SBS Zusammenwirken und optische Isolierung der Pumpe Strahl (dunkelrot), mit einer Keplerschen Beam Expander (L₅ L₆) und erweitert ist zunächst P-polarisierten mit einem Halbwellen-Platte λ₂4), dann durch eine polarisierende übertragen Beam Splitter (PBS), und schließlich links zirkular polarisiert durch eine Viertel-Wellenlängen-Platte (λ₂4) und konzentrierte sich auf die Probe mit einem achromatische Objektiv (L₄; wie L₃). Beachten Sie, dass die Pumpe und Sonde Strahlen fast in der Probe gegen ausbreiten und laser-eine S-orientierte Polarisator (P) verwendet wurde, zu verhindern, dass die Pumpe P-polarisierten Strahl (aus λ₁4 kommend) in die Sonde. Für die Erkennung von Lock-in ist die Pumpstrahl sinusähnlich f_m mit einem akusto-optischen Modulator (AOM) moduliert. Das SBG-Signal, manifestiert sich als Intensitätsschwankungen Frequenz f_m (siehe Kasten), ist mit demoduliertein Lock-in-Verstärker (LIA) nach Erkennung durch eine großflächige Photodiode (PD). Für bedeutende Beseitigung von streunenden Pumpe Reflexionen in der Fotodiode einem Schmalband Filter Bragg (BF) und eine atomare Notch-Filter (⁸⁵RB) rund um die Pumpe Wellenlänge neben mit einer lichtundurchlässigen Iris (I) dienen. Daten werden von einem Erwerb Datenkarte (DAQ) angeschlossen an einen Personalcomputer (PC) zur weiteren Analyse des Spektrums Brillouin erfasst. Alle Faltungsspiegeln (M₁– M₆) werden verwendet, um das Spektrometer auf ein 18” x 24” Steckbrett passen, die auf dem optischen Tisch zur Erleichterung der Platzierung von wässrigen Proben vertikal montiert ist. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.