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一个高反射（HR）涂层;在后表面的部分反射涂层允许的光的一小部分（〜5％），以进行发送。当聚焦到稍微倾斜VIPA的狭窄的入口时，光束被反射到子组件与VIPA ²内固定的相位差。子组件之间的干扰达到渴望的高光谱色散。在交叉轴配置对两个东哲行依次介绍了正交方向³光谱色散。在正交方向上的光谱色散空间上分离从不需要的串扰，这使得有可能仅拾取布里渊信号的布里渊峰。 图1显示的是两级VIPA分光计的示意图。下面的光学元件中的箭头指示的度自由稀土元素，其中的平移阶段应侧重。

图1.纯设置。一种光纤开出布里渊散射进入分光光度计。一个柱面透镜C1（F = 200 MM）将光聚焦到第一VIPA（VIPA1）的入口。另一个圆柱透镜的C2（F = 200毫米）映射的光谱角色散成空间分离C2的焦平面。在该平面中，垂直掩模用于选择光谱的所需部分。类似的结构如下，倾斜90度。光束通过球面透镜S1（F = 200毫米）传递并聚焦到第二VIPA（VIPA2）的入口狭缝。甲球面透镜S2（F = 200毫米）产生在其焦平面，其中另一条水平掩模被放置在二维光谱上分离的图案。该HORizontal掩模成像到使用的消色差透镜对的EMCCD相机。 请点击此处查看该图的放大版本。

本科生与一些光学课程和基本取向的经验应该能够建立和使用两个阶段的光谱仪。分光计最近已证明是与各种标准的光学探针的^3,4,5（例如，共焦显微镜，内窥镜，裂隙灯检眼镜）兼容。这里，光谱仪被连接到共聚焦显微镜。激光被整合90:10分束器后对准成标准研究倒置显微镜系统。来自样品的背散射光被耦合进单模光纤，使得共焦显微镜。

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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的光束。一旦实现这一点，该束将干净地穿过沿整个光路的光圈。
6. 安装一个匹配的消色差透镜对中（f = 30mm）的在照相机的前面。

光谱仪2.水平阶段

1. 挂载水平面具。
   1. 使用固定螺钉的水平掩模附着到一个职位。拧紧后成柱座。柱支架安装到一个平移载物台，使掩膜水平滑动进出光束路径。 （图1）
   2. 用有头螺钉拧紧在光学平台上的平移阶段，使得掩模急剧成像到CCD照相机在消色差透镜对的焦点距离（f = 30毫米）。
2. 安装并对准球面透镜S1（F = 200毫米）600个毫米在水平掩模的前面。
   1. 用螺丝安装S1到柱座。拧紧后成柱座。
   2. 将两片虹膜如1.5.1所述。 placi前纳克S1中的光束路径中，插入前1虹膜和所需的S1位置后的一个光圈（600毫米的水平掩模的前面）。调整虹膜的高度，使得所述光束干净地穿过两者。
   3. 放置S1 600个毫米的水平掩模的前面（ 图1）。调整高度和S1的角度，直到两个，背反射离开透镜和出未来束，干净地穿过虹膜。拧紧柱支架使用表夹子保持S1到光学平台上。
3. 安装VIPA2在球面透镜的焦平面（200毫米S1的前面）。
   1. VIPA的支架安装到使用附带的支架螺丝后。拧紧后成柱座。柱支架拧紧到横向平移台。 （图1）
   2. 与入射狭缝垂直定向的VIPA持有人小心地VIPA2。 （图1）
   3. 精细调整位置Of显示VIPA安装到恰好在S1的焦平面。 （通过跟踪束腰带白卡检查。）
   4. 用有头螺钉拧紧平移阶段到光学表和滑动VIPA2用该平移阶段的自由度的光束。
4. 安装并对准球面透镜S2（F = 200毫米）200毫米的VIPA后和200毫米的水平掩模的前面。按照2.2.1-2.2.3描述的过程。柱支架附着到光学表代替，把它安装到与自由沿光轴取向的其程度的平移阶段。 （图1）使用有头螺钉拧紧平移阶段到光学表。
5. 使用水平平移阶段（2.3.4）至VIPA2入口滑入光束路径。观察摄像机图像上的垂直线。
   1. 细调整S2使用平移阶段安装在2.4直到在摄像机图像上的垂直线出现尖锐。
6. 调整与自由对VIPA保持器的水平方向倾斜程度和平移阶段的频谱。使用自由的水平平移度来调整光束的入口位置到标准具。使用自由的水平倾斜程度来调节光束的输入角进标准具。
7. 测量技巧和吞吐量。
   1. 按F5键或者通过点击在左上角"采集设置"，然后选择该选项，在拍照软件"取图像"拍摄图像。
   2. 右键点击图片并选择选项"线图"。水平拖动光标在图像生成线图。释放光标来观察产生的线图。
   3. 使用线图来测量技巧。通过半最大值（FWHM）全宽分隔两个峰之间的距离。瞄准> 30。
   4. 确定由measurin吞吐量摹与之前和VIPA2后，功率计的功率。目的是为> 50％。
   5. 调光束的输入角与自由对VIPA支架（2.6）的程度的标准具和观察技巧和吞吐量之间的权衡。
8. 如果精细度和吞吐量都不能令人满意回去精细调整对齐。确保VIPA2是S1的焦平面。重复步骤2.3.3 -2.7。

光谱仪3.垂直阶段

1. 滑动VIPA（VIPA2），排列在第2部分，用该平移阶段（2.3.4）的光束。光谱仪的水平阶段现在将表现为1:1的成像系统。
2. 安装垂直面具。
   1. 用螺丝将附加的垂直面具到一个职位。拧紧后成直角钳后适配器。拧紧第二次后进入直角适配器，放入柱座。柱支架安装到一个垂直平移阶段，allowi纳克的掩模进出的光束路径的垂直滑动。 （图1）
   2. 使用有头螺钉拧紧垂直平移阶段到光学表，使得垂直方向的荫罩急剧成像到EMCCD照相机200毫米S1的前面。
3. 安装和对准圆柱透镜C1（F = 200毫米）600个毫米的垂直掩模的前面。
   1. 柱面透镜支架螺丝到一个职位。拧紧后成柱座。小心地C1到物镜保持器，并拧紧螺丝固定到位。
   2. 将两片虹膜如1.5.1所述。前放置C1在光束路径中，插入前1虹膜和所需的S1位置后的一个光圈（600毫米的垂直掩模的前面）。调整虹膜的高度，使得所述光束干净地穿过两者。
   3. 地方的C1 600个毫米的垂直掩模的前面（ 图1）。仔细调整高度，倾斜，和C1至横向位置两者，背反射离开透镜和出到来的光束，被集中到虹膜。拧紧后持有人持有C1到使用表夹在光学平台。
4. 安装VIPA1在柱面透镜的焦平面（200毫米的C1的前方）。
   1. VIPA的支架安装到使用附带的支架螺丝后。拧紧后成柱座。柱支架拧紧到垂直平移台。 （图1）
   2. 小心地将VIPA1与入射狭缝水平方向的VIPA持有人。 （图1）
   3. 精细调整VIPA的位置安装以精确地放置VIPA1在C1的焦平面。 （通过跟踪束腰带白卡检查。）
   4. 使用有头螺钉拧紧垂直平移阶段到光学表并滑动VIPA1用该平移阶段的自由度的光束。
5. 安装和对齐圆柱透镜C2（F = 200毫米）200毫米VIPA1后和200毫米的垂直掩模的前面，以下在3.3.1-3.3.3中描述的方法。柱支架附着到光学表代替，把它安装到与自由沿光轴取向的其程度的平移阶段。 （图1）使用有头螺钉拧紧平移阶段到光学表。
6. 使用平移台（3.4.4）至VIPA1入口滑入光束路径。观察摄像机图像上的水平线。
   1. 使用平移阶段安装在3.5直到在摄像机图像上的水平线出现尖锐精细调整C2。
7. 调整与自由对VIPA保持器的垂直倾斜程度和平移阶段的频谱。使用自由的垂直平移度来调整光束的入口位置到标准具。使用自由的垂直方向倾斜程度来调节光束的输入角进等人上。
8. 测量技巧和吞吐量。
   1. 按照步骤2.7.1 -2.7.2在整个相机屏幕的图像垂直生成线图。
   2. 使用线路积除以两条水平线之间的距离通过全宽度半最大值（FWHM）来测量手腕。瞄准> 40。
   3. 通过之前和VIPA1后测量与功率计的功率测量吞吐量。目的是为> 30％。
   4. 调光束的垂直输入角与自由对VIPA支架（3.7）的垂直方向倾斜程度的标准具。观察技巧和吞吐量之间的权衡。
9. 如果精细度和吞吐量都不能令人满意回去精细调整对齐。确保VIPA1是C1的焦平面。重复步骤3.4.3-3.8。

4.组合两个阶段和最后的对的

1. 滑动VIPA2。观察水平和垂直方向间隔开的点。这些点的重的单频率激光器的光谱特征。调整东哲行的平移阶段，直到点是大家关注的焦点。
2. 测量精细度谱仪和吞吐量。
   1. 按照步骤2.7.1.-2.7.2产生斜对面的两个激光点的线图。
   2. 使用线路积除以两个点之间的距离对角通过全宽度半最大值（FWHM）来测量手腕。瞄准> 30。
3. 建立一个黑盒子包围光谱仪。
   1. 使用施工护栏打造的箱框架，其中应包含整个光谱仪从光纤准直器的CCD摄像机（63英寸×9×15英寸）。
   2. 覆盖盒子骨架遮光布，然后用胶带紧的角落。确保口罩和东哲行都很方便。
4. 光纤到一标准的光学探头，连接诸如反射共聚焦显微镜^4。标准光学p用于收集背散射光长袍将携带一个布里渊信号。

5.测量布里渊移

1. 接近垂直和水平掩模，直到激光签名消失。相应地移动翻译阶段。
2. 使增益和增加相机尽可能的积分时间，而不饱和EMCCD相机。
3. 观察样品的布里渊偏移。
   1. 放置一个样品中的共焦显微镜（或其它光学探测器）的焦点。的空间分辨率将取决于在共聚焦显微镜中使用的物镜。使用塑料盘或试管液体。使用甲醇为第一测量。
4. 为了优化分光计吞吐量，打开一个掩模的时间和通过分光计订单通过倾斜VIPA和调整其平移台扫描。发现在该信号出现的最强的顺序。再次关闭屏蔽，直到日Ë激光信号消失。重复与其他掩模和VIPA（在2.6和3.7中描述）。
5. 取样品的测量。
   1. 取频谱的图像以下步骤2.7.1。
   2. 通过利用水和玻璃（或与已知的布里渊移其他样品）的光谱的图像获取校准测量。通过单击左上角的"文件"，并选择选项"另存为"保存图像。保存在"的.sif"格式的图像，如果在相机软件进行数据分析。保存图像"的.tif"格式，如果在另一计算软件程序进行数据分析。

6.校准布里渊频谱分析和

1. 确定自由光谱范围（FSR）和EMCCD像素中的布里渊光谱仪的光学频率转换比（PR）。
   1. 装载数据在相机软件或另一computa其它软件程序。
   2. 跟随步骤2.7.2以产生跨越所述水校准图像的光谱的线图。
   3. 适合用洛伦兹曲线对光谱的两个峰，以确定在像素位置（P _{水S，P 水-AS）}而言峰的位置。另外，手动读取出的峰值位置，采取了最高点的峰值。
   4. 与玻璃校准图像的频谱重复步骤6.1.2-6.1.3。
   5. 另外，以6.1.1-6.1.4，同时添加EMCCD框架和适合所有四个峰一次。 （图2）
   6. 用公式1.插入对于p _水AS和P _玻璃AS中6.1.3和6.1.4确定的值计算公关。 Ω _玻璃-AS是已知的29.3 GHz的。在这种情况下，由于自由光谱范围仅为20就会出现混叠为9.3千兆赫的频率偏移千兆赫。为简单起见使用9.3 GHz适用于Ω _玻璃AS。使用7.46 GHz的为Ω_水AS。
      
   7. 用公式2.插入对于p _{玻璃-S，P 玻璃-AS和} PR，在6.16计算值计算FSR。使用9.3千兆赫的Ω _玻璃AS。
      

图2.光谱仪的校准 。从校准样品（A）EMCCD相机帧获得。 （二）洛伦兹曲线拟合（红色）测得的数据（蓝色）。 请点击此处查看该图的放大版本。

2. 确定的布里渊移一个样品。
   1. 跟随步骤2.7.2以产生跨越所述样品的光谱行扫描。
   2. 适合用洛伦兹曲线对光谱的两个峰，以确定在像素位置而言的峰值位置。另外，手动读取出的峰值位置，采取了最高点的峰值。
   3. 使用下面的等式4和5与先前计算的值，FSR及PR来计算样品的布里渊偏移。
      

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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