Ad alta velocità continuo-fluttui stimolato Brillouin Scattering spettrometro per analisi materiali
Summary
Descriviamo la costruzione di una rapida spettrometro di continuo-fluttui-stimolato–scattering Brillouin (CW-SBS). Lo spettrometro impiega singola frequenza laser a diodi e un filtro notch-vapor atomico di acquisire spettri di trasmissione dei campioni torbidi/non-torbido con alta risoluzione spettrale a velocità fino a 100 volte più velocemente rispetto a quelli di spettrometri CW-SBS esistenti. Questo miglioramento consente analisi materiale Brillouin ad alta velocità.
Abstract
Ultimi anni hanno visto un significativo aumento nell’uso di spettrometri di Brillouin spontanei per l’analisi senza contatto della materia soffice, come soluzioni acquose e biomateriali, con tempi di acquisizione veloce. Qui, discutiamo l’assemblaggio e funzionamento di uno spettrometro di Brillouin che utilizza stimolato di Brillouin scattering (SBS) per misurare spettri di guadagno (SBG) Brillouin stimolati di acqua e lipidi emulsione del tessuto-come i campioni in modalità di trasmissione con < 10 MHz risoluzione spettrale e < 35 Precisione di misura di Brillouin-turno MHz a < 100 ms lo spettrometro è costituito da due quasi contro-propagazione di continuo-fluttui laser a narrow-linewidth (CW) 780 nm cui detuning frequenza viene analizzato attraverso la materiale shift di Brillouin. Utilizzando un filtro notch di vapore caldo di rubidio-85 ultra-a banda stretta e phase-sensitive detector, il rapporto segnale-a-rumore del segnale SBG è notevolmente migliorato rispetto a quella ottenuta con gli spettrometri CW-SBS esistenti. Questo miglioramento consente la misurazione di spettri SBG con fino a 100 volte più veloce acquisizione volte, facilitando in tal modo ad alta risoluzione spettrale e alta precisione Brillouin analisi di materiali morbidi ad alta velocità.
Introduction
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 cellule1,2, 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 soffice1,2, 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 verifica8,9,10,11. 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 spettrometri10,11,13.
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 fm con un modulatore acusto-ottico (AOM). Il segnale SBG, manifestato come la variazione dell’intensità di frequenza fm (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.
Protocol
Representative Results
Discussion
Il sistema, illustrato nella Figura 1, è stato progettato per essere costruito su una breadboard 18” x 24 ‘ che può essere montato verticalmente su un tavolo ottico, facilitando il posizionamento dei campioni acquosi. Di conseguenza, è importante fortemente stringere tutti gli elementi ottici e meccanici e assicurarsi che la pompa e sonda le travi sono collineari e concentrici con i vari elementi prima di illuminare il campione nella geometria fuori asse.
Difficoltà nell’…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
IR è grato alla Fondazione Azrieli per l’assegnazione di borse di studio dottorato di ricerca.
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
- 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).
- 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).
- Scarcelli, G., Yun, S. H. In vivo Brillouin optical microscopy of the human eye. Opt. Exp. 20 (8), 9197-9202 (2012).
- Scarcelli, G., et al. Noncontact three-dimensional mapping of intracellular hydromechanical properties by Brillouin microscopy. Nat. Methods. 12 (12), 1132-1134 (2015).
- 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).
- Antonacci, G., Foreman, M. R., Paterson, C., Török, P. Spectral broadening in Brillouin imaging. Appl. Phys. Lett. 103 (22), 221105 (2013).
- Antonacci, G., et al. Quantification of plaque stiffness by Brillouin microscopy in experimental thin cap fibroatheroma. J. R. Soc. Interface. 12 (112), 20150483 (2015).
- Grubbs, W. T., MacPhail, R. A. High resolution stimulated Brillouin gain spectrometer. Rev. Sci. Instrum. 65 (1), 34-41 (1994).
- 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).
- 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).
- Remer, I., Bilenca, A. High-speed stimulated Brillouin scattering spectroscopy at 780 nm. APL Photonics. 1 (6), 061301 (2016).
- 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).
- 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).
