Espectrómetro de dispersión de Brillouin estimulada onda continua alta velocidad para análisis de materiales

Espectroscopía Brillouin espontánea se ha establecido, en los últimos años, como un enfoque valioso para el análisis mecánico de los materiales blandos, tales como líquidos, verdadero tejido, tejido fantasmas y biológico de las células^{1,2, 3,4,5,6,7}. En este enfoque, un láser ilumina la muestra y la luz que se dispersa inelásticamente de ondas acústicas térmicas espontáneas en el medio se recoge por un espectrómetro, proporcionando información útil sobre las propiedades viscoelásticas de la muestra. El espectro de Brillouin espontáneo incluye dos picos de Brillouin en la acústica Stokes y anti-Stokes resonancias del material y un pico de Rayleigh en la frecuencia de láser ilumina (debido a la luz dispersada elásticamente). Para una geometría de retrodispersión de Brillouin, las frecuencias de Brillouin se cambian de puesto por varios gigahertz de la frecuencia de láser ilumina y tienen una anchura espectral de cientos de MHz.

Mientras que análisis espectrómetros de Fabry-Perot han sido la sistemas de elección para la adquisición de espectros de Brillouin espontáneos de materia blanda^1,2, recientes avances tecnológicos en imagen prácticamente matriz de fase (VIPA) Espectrómetros han permitido mucho más rápidas mediciones (segundo) Brillouin con adecuada-resolución espectral (sub-GHz)^3,4,5,6,7. En este protocolo, se presenta la construcción de una diferente, alta velocidad y alta resolución espectral, precisa Brillouin espectrómetro basado en la detección de la luz (CW-SBS) continuo-agite-estimulado–dispersión de Brillouin no turbias y turbias muestras en una geometría casi posterior dispersión.

En espectroscopia CW-SBS, onda continua (CW) bomba y sonda de láser, ligeramente desintonizado en frecuencia, se superponen en una muestra para estimular las ondas acústicas. Cuando la diferencia de frecuencia entre las vigas de la bomba y sonda coincide con una resonancia acústica específica del material, amplificación o deamplification de la señal de la sonda es proporcionado por pérdida o ganancia de Brillouin estimulado procesos (SBG/SBL), respectivamente; de lo contrario, no hay amplificación de SBS (de) produce^8,9,10,11. Así, un espectro de SBG (SBL) puede ser adquirido por la diferencia de frecuencia entre el láser a través de las resonancias de Brillouin material de exploración y detectar el aumento (disminución) o ganancia (pérdida), en la intensidad de la sonda debido a la SBS. A diferencia de en la espontánea dispersión de Brillouin, Fondo de dispersión elástica existe inherentemente en SBS, que permite el excelente contraste de Brillouin en muestras turbias y no turbios sin necesidad de filtros de rechazo de Rayleigh como requerido en VIPA Espectrómetros de^11,de^10,13.

Los bloques de edificio principales de un espectrómetro de CW-SBS son la bomba y sonda de láser y el detector de pérdidas y ganancias estimulado de Brillouin. Para espectroscopía de alta resolución espectral, alta velocidad CW-SBS, los láseres deben ser frecuencia única (< grosor de línea de 10 MHz) con afinabilidad de longitud de onda suficientemente amplia (20-30 GHz) y velocidad de barrido (> 200 GHz/s), estabilidad a largo plazo de la frecuencia (< 50 MHz/h) y el ruido de baja intensidad. Además, linealmente polarizado y limitada por difracción laser vigas con poderes de algunos centenares (decenas) de mW en la muestra son necesarios para que la viga de la bomba (sonda). Por último, el detector de pérdidas y ganancias de Brillouin estimulado debe ser diseñado para detectar confiablemente débil atrás estimulado Brillouin pérdidas (SBG/SBL) niveles (10^-5 – 10^-6) en materia blanda. Para satisfacer estas necesidades, se seleccionaron los lasers del diodo retroalimentación distribuida (DFB) juntados al mantenimiento de polarización fibras junto con un detector de pérdidas y ganancias de Brillouin estimulado combinando un ultra-banda estrecha atómica vapor filtro de muesca y de una alta frecuencia modulación de sola cerradura-en el amplificador como se ilustra en la figura 1. Este esquema de detección duplica la intensidad de la señal SBG mientras reduce significativamente el ruido en la intensidad de la sonda, donde la señal deseada de SBG es encajado¹¹. Tenga en cuenta que el papel del vapor atómico-filtro utilizado en nuestro espectrómetro de SBS es reducir significativamente la detección de reflexiones bomba callejeros no deseados en lugar de disminuir el fondo de la difusión elástica como en Espectrómetros VIPA que detectan tanto luz dispersaron Rayleigh y Brillouin espontánea. Utilizando el protocolo que se detalla a continuación, se puede construir un espectrómetro CW-SBS con la capacidad de adquirir espectros de transmisión de agua y tejido fantasmas con niveles SBG tan bajos como 10^-6 en < precisión de la medida de 35 MHz Brillouin-cambio y dentro de 100 ms o menos.

Figura 1: onda continua estimulada de Brillouin Scattering (CW-SBS) espectrómetro. Dos continuo-agite la bomba y sonda de láseres de diodo (DL), frecuencia desintonizado por el cambio de Brillouin de la muestra, se juntan en fibras monomodo-mantenimiento de la polarización con colimadores C₁ y C₂, respectivamente. Diferencia de la frecuencia de la sonda de la bomba se mide mediante la detección de la frecuencia de golpe entre vigas peladas de la bomba y sonda de láser utilizando un conjunto de separadores de fibra (FS), un fotodetector rápido (FPD) y un contador de frecuencia (FC). El haz de la sonda S-polarizado (rojo claro), ampliado con un Keplerian está circularmente polarizada por una placa de cuarto de onda (λ₁4) expansor de haz (L₁ y L₂) y centrado en la muestra (S) por una lente acromática (L₃). Para la eficaz interacción de SBS y aislamiento óptico, la viga de la bomba (rojo intenso), ampliada con un expansor de haz de Keplerian (L₅ y L₆), es primero usando una placa de media onda λ₂4 P-polarizado), transmitida a través de un polarizador Beam splitter (PBS) y es finalmente izquierda circularmente polarizada por una placa de cuarto de onda (λ₂4) y se centró en la muestra con una lente acromática (L₄; igual L₃). Tenga en cuenta que las vigas de la bomba y sonda casi en propagan en la muestra y que un polarizador orientado a S (P) fue utilizado para evitar que la viga de la bomba P-polarizado (saliendo de λ₁4) en la sonda de láser. Para la detección de bloqueo de la viga de la bomba es modulada sinusoidal f_m con un modulador acusto-óptico (ADM). La señal SBG, se manifiesta como variaciones de intensidad en la frecuencia f_m (ver recuadro), es desmodulada conun bloqueo en el amplificador (LIA) tras detección de un fotodiodo de gran superficie (PD). Para significativa eliminación de reflejos de la bomba perdida en el fotodiodo, una banda estrecha filtro de Bragg (BF) y un filtro de muesca atómica (⁸⁵RB) alrededor de la longitud de onda de la bomba se utilizan junto con un bloqueo de luz iris (I). Datos se registran por una tarjeta de adquisición de datos (DAQ) conectada a un ordenador personal (PC) para su posterior análisis del espectro de Brillouin. Todos los espejos plegables (M₁– M₆) se utilizan para caber el espectrómetro en un protoboard ” x 24” 18 que se monta verticalmente sobre la mesa óptica para facilitar la colocación de las muestras acuosas. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.