高速的sub-GHz光谱仪激布里渊散射分析

摘要

在这里，我们提出了一个协议，以建立一个快速的布里渊光谱仪。级联几乎成像相控阵（VIPA）标准具实现了测量速度比传统扫描法布里 - 珀罗光谱仪快1000倍以上。这种改进提供了用于组织和生物材料在低功率水平的体内布里渊分析。

摘要

该协议的目标是建立一个平行的高灭绝和高分辨率光学布里渊光谱仪。布里渊光谱是可以用来获得粘弹性材料属性直接读数的非接触测量方法。它已经在材料特性，结构的监测和环境传感的有用工具。在过去，布里渊光谱已经通常使用扫描法布里 - 珀罗标准具来执行频谱分析。这个过程需要高亮度功率和长采集时间，使得该技术不适合生物医学应用。最近推出的新型光谱仪通过采用两个东哲在交叉轴配置克服了这一难题。这一创新使具有内生物组织的安全界限亚秒采集时间和照明电源子千兆赫（GHz）的分辨率频谱分析。通过这种改进促进了多种新的应用程序立方米rrently正在探索在生物研究和临床应用。

引言

布里渊散射，首先由Leon布里渊¹于1922年描述的，是光从在固体和来自液体或气体的热密度波动的热声模的非弹性散射。的散射光的谱移，通常在子GHz的范围，提供了有关该入射光和与样品中的声子之间的相互作用的信息。其结果是，它可以提供关于被检查材料的粘弹性能的有用信息。

在其自发版本，布里渊散射通常具有横截面在拉曼散射的顺序，产生了非常弱的信号。此外，布里渊频移的幅度比拉曼位移较小的订单。因此，弹性散射光（来自瑞利和米氏散射），杂散光，而反向反射在样本上都可以很容易地掩盖了布里渊光谱特征。故，布里渊光谱仪不仅需要实现的sub-GHz光谱分辨率也高光谱对比度或灭绝。

在传统的布里渊光谱仪这些要求是由扫描光栅单色器，光学打浆方法，以及最普遍地，多遍扫描法布里-珀罗干涉仪²满足。这些方法测量每个频谱分量顺序。这种方法导致了采集时间为单个布里渊频谱范围从几分钟到几个小时，这取决于仪器和在样品上。两阶段VIPA光谱仪，使用该协议建立，具有收集所有频谱分量的内不到一秒，同时提供足够的消光（> 60 dB为单位），以有效地抑制其它杂散信号²的能力。

VIPA的标准具的整合是本光谱仪的关键要素。一个VIPA是一个坚实的标准具有三个不同的C浮动区域:在所述前表面，一个窄抗反射涂层条允许光进入VIPA，而表面的其余部分设有....

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研究方案

注意:布里渊频谱分析需要单纵模激光（〜10毫瓦的样品）。对于调整的目的，使用激光束（<0.1毫瓦）的强烈衰减部分。

纤维1.初始设置和EMCCD（电子倍增电荷耦合器件）相机

1. 识别约1600 mm的自由空间对准了在光学平台上的光谱仪。
2. 安装EMCCD相机在自由空间对准的结束。
   1. 用螺丝将相机连接到岗位。拧紧后持有人的职位所需的光轴高度。拧紧后持有人使用上表夹在光学平台。
3. 打开EMCCD相机。要留意避免摄像头饱和。
   1. 实验室的计算机上安装摄像头软件，然后将相机连接到电脑。
   2. 禁用增益设置为低积分时间（〜0.01秒）。开始获取EMCCD图像。观察摄像机图像•计算机屏幕上。
4. 装入约1600毫米，镜头前的光纤准直器。
   1. 放置在光纤准直适配器的光纤准直器。
   2. 安装适配器到一个职位。拧紧后成柱支架在光轴（摄像机的高度）的近似高度。柱支架拧紧到使用表夹子光学平台。
5. 对准沿着光轴的输出光束。
   1. 使用固定螺钉连接标准虹膜后。拧紧后成柱座。
   2. 放置虹膜在光纤准直器（<50毫米）的前部。调整光圈的光束的高度。移动沿着期望光轴虹膜，应该直接点到相机。
   3. 直接的激光输出，如果相机饱和之后，插入一个光密度滤光片。使用光纤准直器的调整螺钉安装到对准沿着光轴....

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结果

图3示出有代表性的布里渊频谱和其配合为不同的材料。的东哲行两者的厚度为5毫米，导致大约20千兆赫的FSR。的积分时间这些测量是100毫秒。 100测量是平均。一个校准测量之前获得的光谱进行了拍摄。

图不同材质的3布里渊谱 。 洛伦兹曲线拟合（红?.......

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讨论

这种分光计的配置的一个关键的设计特点是，两个阶段可以独立地对准。当一个VIPA标准具滑出光路，分光计阶段的其余镜片形成1:1的成像系统，使来自每个阶段的频谱图案被成像到CCD照相机。因此，它是直接回到任一个阶段以提高其性能，而不会影响其他级的对准。该组中的协议建议的平移阶段和自由度遵循这一理念，保持独立优化光谱仪的两个阶段的能力。

这是很难装入V.......

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材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
OPTICS
VIPA (virtual image phase array)	LIGH MACHINERY		Quantity: 2
Bundle of Three 423 Linear Stages with SM-25 Micrometers	NEWPORT	423-MIC	Quantity: 1
SS Crossed-Roller Bearing Translation Stage, 0.5 in., 8-32, 1/4-20	NEWPORT	9066-X	Quantity: 1
Vernier Micrometer, 13 mm Travel, 9 lb Load Capacity, 50.8 TPI	NEWPORT	SM-13	Quantity: 1
Adjustable Width Slit	NEWPORT	SV-0.5	Quantity: 2
Compact Dovetail Linear Stage, 0.20 in. Z Travel, 1.57x1.57x1.38 in.	NEWPORT	DS40-Z	Quantity: 2
Slotted Base Plate, 25 or 40 mm to 65 mm Stage, 1.1 in. Range	NEWPORT	B-2B	Quantity: 2
Ø1/2" Optical Post, 8-32 Setscrew, 1/4"-20 Tap, L = 2", 5 Pack	THORLABS	TR2-P5	Quantity: 2
Ø1/2" Post Holders, Spring-Loaded Hex-Locking Thumbscrews, L = 2", 5 Pack	THORLABS	PH2-P5	Quantity: 1
Ø1/2" Post Holders, Spring-Loaded Hex-Locking Thumbscrew, L = 3", 5 Pack	THORLABS	PH3-P5	Quantity: 1
Imperial Lens Mount For 2" Optics, 8-32 Tap	THORLABS	LMR2	Quantity: 2
f=200.0 mm, Ø2" Achromatic Doublet, ARC: 400-700 nm	THORLABS	AC254-200-A	Quantity: 2
Kinematic Mount for up to 1.3" (33 mm) Tall Rectangular Optics, Right Handed	THORLABS	KM100C	Quantity: 2
Fixed Cylindrical Lens Mount, Max Optic Height: 1.60" (40.6 mm)	THORLABS	CH1A	Quantity: 2
f=200.00 mm, H=30.00 mm, L=32.0 mm, N-BK7 Plano-Convex Cylindrical Lens, Antireflection Coating: 350-700 nm	THORLABS	L1653L1-A	Quantity: 2
Right-Angle Post Clamp, Fixed 90° Adapter	THORLABS	RA90	Quantity: 1
Adapter with External C-Mount Threads and Internal SM1 Threads	THORLABS	SM1A9	Quantity: 1
Studded Pedestal Base Adapter, 1/4"-20 Thread	THORLABS	PB4	Quantity: 2
Spacer, 2" x 3", 1.000" Thick	THORLABS	Ba2S7	Quantity: 2
543 nm, f=15.01 mm, NA=0.17 FC/APC Fiber Collimation Pkg.	THORLABS	F260APC-A	Quantity: 1
SM1-Threaded Adapter for Ø11 mm collimators	THORLABS	Ad11F	Quantity: 1
Translating Lens Mount for Ø1" Optics, 1 Retaining Ring Included	THORLABS	LM1XY	Quantity: 1
Single Mode Patch Cable, 450 - 600 nm, FC/APC, 2 m Long	THORLABS	P3-460B-FC-2	Quantity: 1
1:1 Matched Achr. Pair, f1=30 mm, f2=30 mm, BBAR 400-700 nm	THORLABS	MAP103030-A	Quantity: 1
SM1 Lens Tube…length to adjust depend on CCD, we have 3.5 inches	THORLABS	SM1LXX	Quantity: 1
Base Adapters for Ø1/2" Post Holders and Ø1" Posts	THORLABS	BE1	Quantity: 8
Clamping Forks for  Ø1/2" Post Holders and Ø1" Posts	THORLABS	CF125	Quantity: 8
HW-KIT5 - 4-40 Cap Screw and Hardware Kit for Mini-Series	THORLABS	HW-KIT5	Quantity: 1
D20S - Standard Iris, Ø20.0 mm Max Aperture	THORLABS	D20S	Quantity: 2
FOR ENCLOSURE
25 mm Construction Rail, L = 21"	THORLABS	XE25L21	Quantity: 6
1" Construction Cube with Three 1/4" (M6) Counterbored Holes	THORLABS	RM1G	Quantity: 8
Right-Angle Bracket for 25 mm Rails	THORLABS	XE25A90	Quantity: 12
25 mm Construction Rail, L = 15"	THORLABS	XE25L15	Quantity: 4
25 mm Construction Rail, L = 9"	THORLABS	XE25L09	Quantity: 8
High Performance Black Masking Tape, 2" x 60 yds. (50 mm x 55 m) Roll	THORLABS	T743-2.0	Quantity: 1
Low-Profile T-Nut, 1/4"-20 Tapped Hole, Qty: 10	THORLABS	XE25T3	Quantity: 1
1/4"-20 Low-Profile Channel Screws (100 Screws/Box)	THORLABS	SH25LP38	Quantity: 1
60" (W) x 3 yds. (L) x 0.005" (T) (1.5 m x 2.7 m x 0.12 mm) Blackout Fabric	THORLABS	BK5	Quantity: 1
CAMERA, LASER and MICROSCOPE
EMCCD camera	ANDOR	iXon Ultra 897	Quantity: 1
400 mW single mode green laser	LASER QUANTUM	torus 532	Quantity: 1
Research Inverted System Microscope	OLYMPUS	IX71	Quantity: 1