材料の分析のための高速連続誘導ブリルアン散乱分光器
Summary
急速な continuous-波動-刺激-ブリルアン散乱 (CW-SBS) 装置の建設について述べる。分光計は、単一周波数ダイオード レーザーを採用しています、高スペクトル分解で濁った/非混濁試料の透過スペクトルを取得する原子蒸気のノッチ フィルターの分光器 CW SBS 既存のものより速く 100 倍まで速度。この改善により、高速ブリルアン材料分析です。
Abstract
近年は、自発的なブリルアン分光計の水溶液など生体材料、高速集録回ソフトマターの非接触解析用の大幅な増加を目撃しています。ここでは、アセンブリを論じるし、ブリルアン分光計を使用しての操作と誘起誘導ブリルアン散乱 (SBS) 水と脂質エマルジョン系組織のようなサンプルの伝送モードで誘導ブリルアン利得 (SBG) スペクトルを測定する < 10 MHzスペクトル分解能と < 35 MHz におけるブリルアン シフト測定精度 < 分光計約 780 で連続波 (CW) 狭線幅レーザを対向する 2 つの構成 100 さん nm スキャンはその周波数の離調、材料におけるブリルアン シフト。雑音の比を信号 SBG 信号の超狭帯域ホット ルビジウム 85 蒸気ノッチ フィルターと位相敏感検出器を使用して、強化に比べて既存 CW SBS 分光器で得られる。この改善により、これにより高速で柔らかい材料の高スペクトル分解能・高精度ブリルアン解析を促進する時間を 100 倍近く高速捕捉と SBG スペクトルの測定です。
Introduction
自発ブリルアン分光法が確立された液体などの柔らかい材料の力学解析のための貴重なアプローチとして、近年実際組織、組織ファントムと生物細胞1,2, 3,4,5,6,7。このアプローチは、単一レーザー点灯サンプル、培地で自発熱音響波は弾性散乱光が分光装置は、試料の粘弾性特性の有用な情報を提供することによって収集します。自然のブリルアン スペクトルには音響のストークス ・反ストークス材料の共振で 2 つのブリルアン ピークには (弾性散乱光) による照明レーザー周波数でレイリーのピークが含まれます。ブリルアン散乱ジオメトリのブリルアン周波数は数 GHz で照明レーザー、高周波から移され、数百 MHz のスペクトル幅を持ちます。
における最近の技術の進歩は事実上相配列 (VIPA) をイメージ ファブリ ・分光計をスキャンと、ソフトマター1,2自発ブリルアン スペクトルを取得するためのシステムの選択がされているが、分光計は、適切なスペクトル分解能 (サブ GHz)3,4,5,6,7大幅に高速 (1 秒未満) ブリルアン計測を有効にしています。このプロトコルで異なる、高速、高スペクトル分解能、正確なブリルアン分光計の非混濁・濁水から continuous-波動-刺激-ブリルアン散乱 (CW-SBS) 光の検出に基づく建設を提案します。ほぼ後方散乱ジオメトリのサンプル。
CW SBS 分光における周波数で若干デチューン、(CW) の連続のポンプ ・ プローブ レーザーは音波を刺激するためにサンプルに重なります。ポンプ ・ プローブのビームの周波数の差には、材料の特定共鳴が一致すると、増幅またはプローブ信号のしたはによって提供される誘導ブリルアン利得または損失 (sbg 社/SBL) プロセス、それぞれ;それ以外の場合、SBS (de) の増幅には、8,9,10,11は発生しません。したがって、sbg 社 (SBL) スペクトルは材料ブリルアン共鳴間レーザーの周波数の差をスキャンし、検出の増加 (減少)、によって得ることができるまたは SBS によるプローブ強度 (損失) を得る。異なりの自発のブリルアン散乱弾性散乱背景が本質的に欠けている SBS、白濁と非混濁のサンプルで必要な VIPA とレイリー除去フィルターを必要とせずに優れたブリルアン コントラストを有効にすることで分光計10、11,13。
CW SBS 分光器の主要なビルディング ブロックは、ポンプ ・ プローブ レーザーと誘導ブリルアン利得/損失検出器です。高スペクトル分解能、高速 CW SBS 分光用レーザーは、単一周波数をする必要があります (< 10 MHz 幅) 十分に広い波長可変特性 (20-30 GHz) とスキャン率 (> 200 GHz/s)、長期周波数安定度 (< 50MHz/h) と低雑音。さらに、いくつかの何百もの力を持つ梁の直線偏波と回折限界のレーザー (tens) のサンプルに mW のポンプ (プローブ) 梁の必要。最後に、誘導ブリルアン利得/損失検出器は、ソフトの問題で弱い後方誘導ブリルアン利得/損失 (sbg 社/SBL) レベル (10-5 – 10-6) を確実に検出する設計必要があります。これらのニーズを満たすためには、我々 は偏波保持する結合分布帰還 (DFB) 半導体レーザを選択した超狭原子を組み合わせた誘導ブリルアン利得/損失検出器と一緒に繊維蒸気ノッチ フィルターと高周波図 1に示すようにロックイン アンプをシングル変調に。この検出方式は、目的の SBG 信号が埋め込まれた11プローブ強度の騒音を大幅に削減しながら SBG の信号の強さを倍増します。私たち SBS 分光器で使用する原子蒸気ノッチ フィルターの役割が検出 VIPA 分光計のように弾性散乱背景を減らすのではなく、不要な浮遊ポンプ反射の検出を大幅に削減することに注意してください。自発的なレイリーとブリルアン散乱光です。下記のプロトコルを使用して CW SBS 分光計は sbg の全体的レベル並みに 10-6水と組織ファントムの透過スペクトルを取得する能力を持つ構築ことができます < 35 MHz におけるブリルアン シフト測定精度と100 ms 以内。
図 1: 連続誘導ブリルアン散乱 (CW-SBS) 分光します。2 つ連続ポンプ ・ プローブ ダイオード レーザー (DL)、サンプルのブリルアン シフト周りデチューン周波数は、偏波保持ファイバーにそれぞれコリメータ C1 C2と結合されています。ポンプ ・ プローブの周波数差は、ポンプ ・ プローブ レーザー光スプリッター (FS)、高速光検出器 (FPD) と周波数 (FC) のセットを使用してから皮をむいたビーム間のビート周波数を検出によって測定されます。プローブの S 偏極ビーム (明るい赤)、四分の一波長板 (λ14) による円偏波ビーム拡大器 (L1 L2) は正しいケプラーを使用して拡張し、色消しレンズ (3L) によってサンプル (S) に焦点を当てた。SBS の相互作用および光学絶縁は、ケプラー式ビーム拡大器 (L5 L6) を使用して拡張ポンプ光 (深赤)、最初 P 偏光波長板 λ24 を使用して)、偏光透過ビームスプリッター (PBS) が最終的に左円四分の一波長板 (λ24) によって分極し、色消しレンズ (4L; L3と同じ) とサンプルに焦点を当てた。ポンプ ・ プローブ梁ほぼカウンターに伝達されるよう、サンプルでは (λ14 から出てくる) ポンプの P 偏光ビームがプローブに入るを防ぐために使用された (P) S 指向の偏光板がレーザーに注意してください。ロックイン検出のポンプ光正弦波音響光学変調器の出力 (AOM) fmで変調されます。SBG 信号、周波数fmで輝度変化として現れる (はめ込み式を参照) で復調ロックイン アンプ (LIA) 広域フォト ダイオード (PD) による検出に続きます。フォト ダイオードにおける浮遊ポンプ反射の重要な除去は、狭帯域ブラッグ フィルター (BF) とポンプ波長の周りの原子のノッチ フィルター (85RB) (I) 光ブロック アイリスと一緒に使用されます。パーソナル コンピューター (PC) に接続されているデータ集録カード (DAQ) ブリルアン スペクトルの詳細な分析データが記録されます。すべて折りたたみミラー (M1– M6)、水様のサンプルの配置を促進するため光学テーブルに垂直にマウントされている 18「× 24」ブレッド ボードに分光計を合わせて使用されます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
Protocol
Representative Results
Discussion
図 1に示すように、システムは、水様のサンプルの配置を促進する、光学テーブルを垂直方向に取り付けることができます 18」x 24」ブレッドで造られるように設計されました。その結果、強くすべての光学的および機械的要素を締めます、ポンプ ・ プローブの梁がコリニアと同心軸外のジオメトリのサンプルを照らす前に様々 な要素を持つことを確認することが重要です。
…Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
IR は、博士課程フェローシップ賞アズリエリ財団に感謝しています。
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).
