Spectromètre à diffusion Brillouin stimulée onde continue à grande vitesse pour l’analyse des matériaux

Résumé

Les auteurs décrivent la construction d’un spectromètre de (CW-SBS) continuous-ondulatoire-stimulé--diffusion Brillouin rapide. Le spectromètre emploie monofréquence-les lasers à diode et un vapeur atomique-filtre d’acquérir des spectres de transmission des échantillons turbide/non-trouble avec haute résolution spectrale à des vitesses jusqu'à 100 fois plus vite que ceux des spectromètres de CW-SBS existants. Cette amélioration permet une analyse du matériau Brillouin à grande vitesse.

Résumé

Ces dernières années ont vu une augmentation significative de l’utilisation des spectromètres de Brillouin spontanées pour l’analyse sans contact de la matière molle, tels que les solutions aqueuses et des biomatériaux, avec des temps d’acquisition rapide. Ici, nous discutons de l’Assemblée et fonctionnement d’un spectromètre de Brillouin qui utilise stimule la diffusion Brillouin (SBS) pour mesurer les spectres de gain (SBG) Brillouin stimulées de lipides base d’émulsion tissu échantillons d’eau et en mode de transmission avec < 10 MHz résolution spectrale et < précision de mesure 35 MHz Brillouin-Maj à < 100 Mme le spectromètre se compose de deux presque Counter-multiplication des lasers de narrow-linewidth à onde continues (CW) à 780 nm dont fréquence désaccord est analysé à travers la Maj matériel de Brillouin. En utilisant un filtre chaud rubidium-85 vapeur ultra-à bande étroite et un détecteur sensible à la phase, le rapport signal-à-bruit du signal SBG est significativement amélioré par rapport à celle obtenue avec les spectromètres de CW-SBS existants. Cette amélioration permet de mesurer des spectres SBG avec jusqu'à 100 fois plus rapide acquisition times, facilitant ainsi la haute résolution spectrale et de haute précision Brillouin analyse de matériaux souples à haute vitesse.

Introduction

La spectroscopie Brillouin spontanée a été établie, ces dernières années, une approche utile pour l’analyse mécanique des matériaux mous, tels que les liquides, véritable tissu, fantômes de tissu et biologique des cellules^{1,2, 3,4,5,6,7}. Dans cette approche, un seul laser éclaire l’échantillon et la lumière qui est inélastiquement diffusée par des ondes acoustiques thermiques spontanés dans le milieu est collectée par un spectromètre, fournissant des informations utiles sur les propriétés viscoélastiques de l’échantillon. Le spectre de Brillouin spontané comprend deux pics de Brillouin à l’acoustique Stokes et résonances anti-Stokes du matériel et un pic de Rayleigh à la fréquence du laser éclairant (due à la lumière élastiquement épars). Pour une géométrie de rétrodiffusion Brillouin, les fréquences de Brillouin sont décalés de plusieurs GHz de la fréquence du laser éclairant et ont une largeur spectrale de centaines de MHz.

Numérisation des spectromètres de Fabry-Perot a eu le systèmes de choix pour l’acquisition des spectres Brillouin spontanées en matière molle^1,2, les progrès technologiques récents dans imagés pratiquement tableau phase (VIPA) spectromètres ont permis à des mesures de (seconde) Brillouin nettement plus rapides avec adéquat-résolution spectrale (sub-GHz)^3,4,5,6,7. Dans ce protocole, nous présentons la construction d’un différent, haute vitesse, haute résolution spectrale, précise Brillouin spectromètre basé sur la détection de la lumière (CW-SBS) continuous-ondulatoire-stimulé--diffusion Brillouin non turbide et turbides échantillons dans une géométrie de diffusion presque arrière.

En spectroscopie CW-SBS, onde continue (CW) pompe sonde lasers et, légèrement désaccordés en fréquence, se chevauchent dans un échantillon de stimuler des ondes acoustiques. Lorsque la différence de fréquence entre la pompe et sonde poutres correspond à une résonance acoustique spécifique du matériau, amplification ou sous-évaluation du signal de la sonde est fournie par gain de Brillouin stimulée ou la perte des processus (SBG/PPE), respectivement ; Sinon, aucune amplification SBS (de) s’effectue à^8,9,10,11. Ainsi, un spectre de SBG (SBL) peuvent être acquis par la différence de fréquence entre les lasers sur les résonances de Brillouin matériels de numérisation et de détecter l’augmentation (diminution) ou gain (perte), de l’intensité de la sonde en raison de la SBS. Contrairement à la diffusion Brillouin spontanée, fond de diffusion élastique est intrinsèquement absente dans SBS, permettant l’excellent contraste de Brillouin dans des échantillons de troubles et non-trouble sans avoir besoin de filtres de rejet de Rayleigh comme requis dans VIPA spectromètres^10,11,13.

Les principales composantes d’un spectromètre de CW-SBS sont les lasers de pompe et de la sonde et le détecteur de gain/perte de Brillouin stimulé. Pour la spectroscopie de haute résolution spectrale, à grande vitesse CW-SBS, les lasers doivent être à fréquence unique (< linewidth 10 MHz) avec la première longueur d’onde suffisamment large (20-30 GHz) et taux d’echantillonage (> 200 GHz/s), stabilité à long terme de fréquence (< 50 MHz/h) et des bruits de faible intensité. En outre, les faisceaux de linéairement polarisé et limitée par la diffraction laser avec des puissances de quelques centaines (RTE) mW sur l’échantillon sont nécessaires pour le faisceau de la pompe (sonde). Enfin, le détecteur de gain/perte de Brillouin stimulé devrait viser à détecter de manière fiable faible en arrière niveau stimulée de Brillouin gain/perte (SBG/SBL) (10^-5 - 10^-6) en matière molle. Pour répondre à ces besoins, nous avons sélectionné les lasers à rétroaction répartie (DFB) diode couplés à maintien de polarisation des fibres avec un détecteur de gain/perte de Brillouin stimulé combinant un ultra-rayonnement ionisants vapor-filtre et une haute fréquence Single-modulation amplificateur à verrouillage tel qu’illustré à la Figure 1. Ce système de détection en double l’intensité du signal SBG tout en réduisant considérablement le bruit de l’intensité de la sonde, où le signal désiré de SBG est incorporé¹¹. Notez que le rôle de la vapeur atomique-filtre utilisé dans notre spectromètre SBS est de réduire significativement la détection des reflets indésirables pompe errants plutôt que de diminuer le fond de diffusion élastique comme les spectromètres de VIPA qui détectent tous les deux spontanée de Rayleigh et de Brillouin dispersés lumière. En utilisant le protocole détaillé ci-dessous, un spectromètre CW-SBS peut être construit avec la capacité d’acquisition des spectres de transmission des fantômes de tissu et l’eau avec des niveaux SBG aussi basses que 10^-6 à < précision de mesure 35 MHz Brillouin-Maj et moins de 100 ms ou moins.

Figure 1 : onde continue stimulée par spectromètre (CW-SBS) la diffusion Brillouin. Deux onde continue pompe et sonde les lasers à diode (DL), fréquence désaccordé autour de la Maj de Brillouin de l’échantillon, sont couplées en maintenant la polarisation des fibres monomode avec collimateurs C₁ et C₂, respectivement. La différence de fréquence de pompe-sonde est mesurée en détectant la fréquence de battement entre poutres pelées des lasers de pompe et de la sonde à l’aide d’un ensemble de séparateurs fibre (FS), un photodétecteur rapide (FPD) et un compteur de fréquence (CF). Le faisceau sonde polarisation S (rouge), élargi à l’aide d’un képlérienne faisceau expander (L₁ et L₂), est droite circulairement polarisée par une lame quart d’onde (λ₁4) et axée sur l’échantillon (S) par une lentille achromatique (L₃). Pour une interaction efficace SBS et isolation optique, le faisceau de la pompe (rouge foncé), élargi à l’aide d’un extenseur de faisceau képlérienne (L₅ et L₆), est d’abord P-polarisé à l’aide d’une plaque demi onde λ₂4), puis transmis à travers un polarisant Beam splitter (PBS) et est finalement gauche circulairement polarisée par une lame quart d’onde (λ₂4) et axés sur l’échantillon avec une lentille achromatique (L₄; même que L₃). Notez que les poutres de la pompe et la sonde près Counter-propagent dans l’échantillon et qui un polariseur axée sur le S (P) a été utilisée pour empêcher l’entrée de la sonde de la poutre de polarisation P pompe (sortant de λ₁4) laser. Pour la détection de blocage, le faisceau de la pompe est sinusoïdal modulé à f_m avec un modulateur acousto-optique (AOM). Le signal SBG, se manifestant par des variations d’intensité à la fréquence f_m (voir encadré), est démodulée avecun amplificateur à verrouillage (LIA) après la détection par une photodiode de grande surface (DP). Pour élimination importante des réflexions parasites pompe dans la photodiode, une bande étroite filtre Bragg (BF) et un filtre atomique (⁸⁵RB) autour de la longueur d’onde de pompe sont utilisés aux côtés avec un iris occultants (I). Données sont enregistrées par une carte d’acquisition de données (DAQ) connectée à un ordinateur personnel (PC) pour une analyse ultérieure du spectre Brillouin. Tous les miroirs pliants (₁M - M₆) sont utilisés pour adapter le spectromètre sur un montage d’essai 18'' x 24'' qui est monté verticalement sur la table optique pour faciliter le placement des échantillons aqueux. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

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Protocole

Remarque : sauf indication contraire, (i) brancher tous les supports pour poster des détenteurs et serrer les bases post avec une fourchette de serrage ou de montage de base pour la table optique, et (ii) la sortie en fonction des puissances de laser de 2 à 10 mW pour toutes les procédures d’alignement.

Remarque : Allumez tous les appareils électriques/optoélectronique dans le setup et laisser 30 min d’échauffement temps avant toute utilisation.

1. préparer le chemin optique du faisceau sonde

1. monter et aligner le collimateur de la fibre de le laser de la sonde. Splitter de fibre
   1. Connect la fibre saisie d’un 33 : 67 FC/APC maintenant la polarisation (port T de FS ₁) au coupleur fibre de le laser de la sonde. Se connecter à la fibre de 67 %-sortie du séparateur fibre (port 1 FS ₁) à la fiber collimateur (C ₁). Fixez le collimateur de la fibre à un montage de cinématiques de 6 axes (Ø _x Ø _y, Ø _z, x, y, z). Placer un compteur d’électricité derrière le collimateur de fibre et de maximiser la puissance du laser en ajustant le x, y et z de vis de l’attelage de fibre laser.
   2. Tourner le collimateur de la fibre (ou l’élément optique doit être harmonisé) pour régler la polarisation de laser à la direction de polarisation S, qui ici est perpendiculaire au plan de table optique. Confirmer que le faisceau laser est polarisée S en mesurant la transmission minimale (maximale) laser (réflexion) grâce à un séparateur de faisceau polarisant auxiliaire avec un wattmètre.
   3. Monter deux Iris auxiliaire d’alignement à une hauteur identique de la table optique (3 ' ' dans cette configuration). Pour la propagation du faisceau le long de l’axe optique du système et parallèle à la table optique, cette hauteur doit être maintenue constante pendant l’alignement de l’ensemble du système. Placer un iris dans un trou de montage tableau arrière du collimateur de fibre (ou l’élément optique doit être harmonisé) à < distance de 50 mm. Placez le deuxième iris dans un trou de montage table colinéaires suffisamment loin de la première iris (> 300 mm).
   4. Aligner le faisceau de sortie de la fiber collimateur (ou l’élément optique doit être harmonisé) le long de l’axe optique du système en ajustant les vis _y Ø du Mont cinématique x, y, Ø _x, jusqu'à ce que le faisceau laser est concentrique à la Centre des deux IRIS.
2. Mis en place une extension de faisceau képlérienne.
   1. Monter un objectif (L ₁, f ₁ = 25 mm) dans une monture optique fixe.
   2. Monter deux Iris alignement auxiliaire en suivant la procédure en 1.1.3. Régler finement la position latérale et l’angle de tangage de la lentille pour que le faisceau transmis est concentrique au centre des deux IRIS.
   3. Monter une seconde lentille (L ₂, f ₂ = 50 mm) dans une monture optique fixe. Fixez le Mont poste base à une étape de translation linéaire alignée avec l’axe optique du système. Placer la scène telle que la lentille est à une distance de f ₁ + f ₂ de la première lentille. Aligner la lentille comme décrit dans 1.2.2.
   4. Place un cisaillement interféromètre derrière la seconde lentille pour confirmer que le faisceau est collimaté. Traduire la seconde lentille le long de l’axe optique du système jusqu'à ce que les franges d’interférences produites sont parallèles à la ligne de référence s’est prononcée sur la plaque du diffuseur de l’interféromètre cisaillement.
3. Plier le faisceau de sortie de l’extenseur faisceau.
   1. Monter un miroir (M ₁) dans une monture cinématique avec pitch (Ø _x) et de lacet (Ø _y) ajustements. Orienter le miroir pour être 45 ^o par rapport à l’axe optique le long des éléments C ₁ - ₁ de L - L ₂.
   2. Monter deux Iris alignement auxiliaire en suivant la procédure en 1.1.3. Ajuster les Ø _x et les vis _y Ø du Mont miroir jusqu'à ce que le faisceau réfléchi est concentrique au centre des deux IRIS qui définit l’axe optique du système.
4. Mis en place les optiques d’éclairage échantillon. Lame quart d’onde
   1. Mont un ordre zéro (λ ₁ / 4) dans un 6-axes cinématique de montage (Ø _x Ø _y, Ø _z, x, y, z) à une distance d’environ 150 mm le miroir pliant (M ₁), laissant espace suffisant pour placer un polariseur (P) avant le waveplate comme indiqué au point 2.7. Faites tourner le waveplate 45 ^o par rapport à son axe rapide pour obtenir un état de polarisation circulaire.
   2. Monter une lentille de focalisation (L ₃, f ₃ = 30 mm) dans la même monture cinématique de la waveplate. Aligner le faisceau transmis à travers la lentille en suivant la procédure décrite dans 1.1.3-4.
5. Mis en place l’optique de collecte de l’échantillon.
   1. Monter une monture cinématique 6 axes (Ø _x Ø _y, Ø _z, x, y, z) sur un différentiel translationnelle platine à une distance d’environ 60 mm de la lentille de focalisation (L ₃). Monter un ordre zéro quart d’onde (λ ₂ / 4) dans le montage de cinématique. Tournez le waveplate à 45 ^o par rapport à son axe rapide et confirmer que le faisceau laser est polarisée S en suivant la procédure au paragraphe 1.1.2.
   2. Monter un objectif de collecte (L ₄, f ₄ = 30 mm) dans la même monture cinématique de la waveplate. Aligner le faisceau transmis à travers la lentille en suivant la procédure décrite dans 1.1.3-4. Confirmer que le faisceau est collimaté comme décrit dans 1.2.4.
   3. Monter un cube de séparateur de faisceau polarisant (PBS) sur un support cinématique avec pitch (Ø _x) et lacet (Ø _y) ajustements et placez-le derrière le waveplate (tel qu’illustré à la Figure 1). Monter deux Iris alignement auxiliaire en suivant la procédure en 1.1.3. Ajuster les Ø _x et les vis _y Ø du Mont séparateur de faisceau jusqu'à ce que le faisceau réfléchi est concentrique au centre des deux IRIS qui définit l’axe optique du système.

2. Préparer le chemin optique du faisceau pompe

1. monter et aligner le collimateur fibre de le laser de pompe. Laser
   1. Connect la fibre du port amplifié de la pompe à la fiber collimateur (C ₂). Monter et aligner le collimateur fibre de le laser de pompe tel que décrit au 1.1.3 - 4.
2. Tune la longueur d’onde de pompe à la D2 rubiduim-85 _{F g} = raie d’absorption 3.
   1. Place une cellule de rubidium-85 vapeur derrière le collimateur fibre de le laser de pompe (C ₂).
   2. Situés un photodétecteur auxiliaire derrière la cellule de vapeur pour mesurer la transmission de la poutre de la pompe par l’intermédiaire de la cellule. Connectez le photodétecteur à un oscilloscope. Appuyez sur la ' Autoset ' bouton sur l’oscilloscope pour définir automatiquement la trace d’amplitude et le temps du signal de lecture de la photodetector.
   3. la valeur grossièrement la longueur d’onde du laser Le rubidium raie d’absorption de D2, 780.24 nm, en tournant le bouton de température sur le contrôleur de laser à un niveau où la transmission de la lumière est mesurée par l’intermédiaire de la cellule de rubidium par le photodétecteur auxiliaire ( Voir l’étape 2.2.2). Régler la température de laser au niveau identifié.
   4. Connecter la sortie d’un générateur de fonction sur l’entrée courante de modulation du contrôleur laser pompe.
   5. Appliquer une onde triangulaire d’un générateur de fonction sur l’entrée de modulation actuel du contrôleur de laser à balayer lentement la longueur d’onde laser 60 h (30 GHz). Pour ce faire, appuyez sur la ' Channel Select ' bouton sur le générateur de fonction et de sélectionner le canal 1. Appuyez ensuite sur la ' rampe ' bouton, puis le ' continu ' le bouton pour régler le canal pour produire une forme d’onde du triangle. Appuyez sur la ' Amplitude ' touche de raccourci pour régler l’amplitude de l’onde à 2,25 Vpp (tension crête à crête) et le ' fréquence/période ' bouton de raccourci pour régler la fréquence de l’onde à 5 mHz. Enfin, appuyez sur la ' sur ' bouton pour allumer le canal du générateur fonction.
   6. Identifier aussi précisément que possible le niveau actuel qui amène la longueur d’onde de pompe à la D2 rubidium-85 _{F g} = 3 raie d’absorption par la mesure de transmission de la lumière à travers la cellule de rubidium en utilisant le photodétecteur auxiliaire (voir 2.2.2 l’étape). Régler le laser courant au niveau identifié en tournant le bouton actuel sur le contrôleur de laser. Supprimer la cellule de rubidium et photodétecteur auxiliaire. Enfin, débrancher le générateur de fonction de l’intensité absorbée de modulation du contrôleur laser.
3. Monter et aligner le filtre de nettoyage laser ligne.
   1. Introduire la ligne laser nettoyage filtre (un filtre Bragg réfléchissant ; BF) dans une cinématique monter avec pitch (Ø _x) et de lacet (Ø _y) ajustements à une distance de 250 mm entre le fiber collimateur (C ₂).
   2. Place une puissance compteur dans le chemin optique de transmission (réflexion) du filtre et minimiser (maximiser) la puissance du faisceau en faisant tourner le filtre dans l’axe de tangage pour correspondre à l’angle d’entrée de Bragg (8 ^o dans cette configuration). Régler finement Ø _x et vis _y Ø du Mont cinématique pour optimiser l’alignement.
   3. Plier le faisceau réfléchi le filtre vers une direction parallèle à celle de la poutre au niveau du filtre d’entrée à l’aide de deux miroirs (M ₂, M ₃) montés sur des montures cinématiques avec pitch et lacet ajustements.
   4. Monter deux Iris alignement auxiliaire en suivant la procédure en 1.1.3. Ajuster les Ø _x et les vis _y Ø de deux supports de miroir jusqu'à ce que le faisceau réfléchi par le second miroir est concentrique au centre des deux IRIS qui définit l’axe optique du système.
4. Monter et aligner le modulateur acousto-optique.
   1. Mont et aligner une lentille (L _5, f ₅ = 100 mm) à concentrer le faisceau de la pompe dans un modulateur acousto-optique (AOM), comme décrit dans 1.2.2. Après l’aliment de la lentille, retirer délicatement la lentille L ₅ de sa monture avant de placer l’ADM afin d’éviter d’endommager l’AOM.
   2. Monter l’AOM sur une plate-forme de 5 axes (Ø Ø du _{x, y}, x, y, z) à une distance d’environ 100 mm de la lentille de focalisation (L ₅). Faire en sorte que le faisceau de pompe se propageant à travers la fenêtre d’entrée du modulateur est polarisée S (voir 2.1.2) pour optimiser les performances de modulateur.
   3. Connecter la sortie RF du pilote Modulateur RF l’entrée du modulateur à l’aide d’un câble coaxial de 50-Ω. Mettez le pilote et la presse le ' Mode ' bouton sur le pilote de sorte que le modulateur acousto-optique fonctionne en onde continue mode.
   4. Placer un wattmètre derrière la sortie du modulateur pour mesurer la puissance du faisceau diffracté premier ordre seulement. Régler l’angle de Bragg du modulateur pour maximiser la puissance du faisceau diffracté premier ordre en tournant le modulateur dans l’axe de tangage (Ø _x).
   Finelythe
   5. repositionner concentrant (L ₅) dans son support de concentrer le faisceau de la pompe dans le modulateur et ont réalisé un temps de montée/descente de rapides souhaitée (10 ns ~ 50 µm faisceau diamètre au focus dans cette configuration). Ajuster le x, y, z, Ø _x et vis _y Ø de la plate-forme de montage du modulateur pour maximiser la puissance du premier ordre faisceau diffracté.
   6. Plier le faisceau à la sortie du modulateur à une direction parallèle à celle de la poutre à l’entrée du modulateur à l’aide de deux miroirs (M ₄, M ₅) montés sur des montures cinématiques avec pitch (Ø _x) et des ajustements (Ø _y) lacet comme décrit dans 2.3.3-4.
   7. Mount et aligner une seconde lentille (L ₆ f ₆ = 200 mm) à une distance de f ₅ + f ₆ de la lentille de focalisation sur le modulateur d’entrée à collimater le faisceau modulé pompe comme décrit dans 1.2.3-4. Cet objectif ainsi que la mise au point de lentille à la formule d’entrée modulateur un expandeur de faisceau képlérienne pour le faisceau de la pompe, correspondant à la pompe et sonde diamètre avant en se concentrant sur l’échantillon (S).
5. Mis en place la pompe optique P-polarisation. Monter un ordre zéro demi-onde (λ/2) dans une monture de rotation. Placez le waveplate derrière le deuxième objectif de l’extenseur de faisceau képlérienne du faisceau pompe (L ₆). Faire pivoter le waveplate pour ajuster le faisceau à la direction de polarisation P, qui ici est parallèle au plan de table optique. Confirmer que le faisceau laser est polarisé P en mesurant la transmission maximale (minimale) laser (réflexion) grâce à un séparateur de faisceau polarisant auxiliaire avec un wattmètre.
6. Pli et latéralement MAJ le faisceau à la sortie de la waveplate.
   1. Monter un miroir (M ₆) dans un support cinématique avec pitch (Ø _x) et de lacet (Ø _y) ajustements à une distance de 50 mm de la plaque de demi-onde (λ/2). Attachez la base de la poste du Mont cinématique à une étape de translation linéaire alignée avec l’axe optique du système. Orienter le miroir pour être 45 ^o par rapport à l’axe optique le long de l’éléments λ/2-PBS.
   2. Aligner le faisceau réfléchi par le miroir et la polarisation du faisceau splitter comme décrit dans 1.3.1-2. Confirmer que le faisceau de pompe transmis par le séparateur de faisceau polarisant est colinéaire de trajet optique faisceau sonde utilisant un laser Regarde un cardinal
   3. Traduire le miroir de 3 mm dans une direction perpendiculaire à l’axe optique, les lentilles de focalisation de pompe-sonde (L ₄-L ₃) pour produire l’éclairage hors axe pompe de l’échantillon (S) qui minimise les reflets parasites pompe.
7. Mis en place la pompe blocage optique dans le chemin optique de la sonde. Monter un polariseur linéaire (P) dans une monture de rotation. Placer le polariseur entre le miroir pliant (M ₁) et le premier waveplate (λ ₁ / 4) dans le chemin optique de sonde, environ 75 mm de chacune de ces composantes. Tourner le polariseur de minimiser (maximiser) transmission du faisceau pompe (sonde).

3. Préparer le système pour détecter le désaccord de fréquence de la pompe et la sonde Lasers

1. mis en place la fibre optique pour les lasers de pompe et de sonde.
   1. Connect la fibre d’entrée d’un 50/50 FC/APC maintenant la polarisation fibre splitter (port 1 FS ₂) au coupleur fibre du port non amplifiés de la laser de pompe. Raccorder la fibre 33 %-sortie du séparateur fibre sonde (port 2 FS ₁) à la fibre d’entrée de 50 % entre le séparateur et fibre pompe (port 2 FS ₂) en utilisant un accouplement manchon.
   2. Mesurer la puissance optique à la fibre de la sortie du séparateur fibre 50/50 pompe (port T de FS ₂) avec un mesureur de puissance et s’assurer que la puissance optique totale est < 10 mW pour éviter la saturation du photodétecteur fibre couplés (FPD). Raccorder la fibre de la sortie du séparateur fibre 50/50 pompe (port T de FS ₂) à l’entrée d’un photodétecteur haute vitesse fibre couplés.
2. Connectez le connecteur mâle K du photodétecteur rapide directement sur le connecteur femelle de K de la bande de GHz d’une freq de micro-ondesuency compteur (FC).

4. Set Up the stimulée Brillouin Gain/perte détecteur

1. préparer la cellule vapor rubidium-85.
   1. Envelopper toute la cellule avec un tampon thermoconductrice. Enrouler un ruban de chaleur sur les bords de la cellule. Placer un thermocouple au milieu de la cellule pour surveiller la température de chauffage. Veiller à ce que le thermocouple ne touche pas le ruban thermique. Branchez le thermocouple à un thermomètre à lecture de la température de la cellule.
   2. Envelopper toute la cellule avec une bande de polytétrafluoroéthylène pour maintenir le ruban thermique et le thermocouple en leurs places et d’isoler thermiquement la cellule de l’environnement. Laisser le bout de la sangle de chaleur dégagée sur les deux bords. Les deux fils du ruban thermique de fil à un 0-30 V, 5 alimentation A DC.
   3. Monter la cellule dans le chemin optique de réflexion entre le séparateur de faisceau polarisant (PBS). Faire en sorte que le faisceau sonde frappe le centre de la cellule.
   4. Monter un iris (I) avant de la cellule. Ouvrir le diaphragme pour que le faisceau de la sonde peut complètement passer à travers. Cet iris aide à minimiser les reflets parasites pompe.
2. Mis en place le photodétecteur.
   1. Lieu le photodétecteur (DP) derrière le rubidium cellulaire. Le photodétecteur, logé dans un boîtier en aluminium, comprend une photodiode de grande surface et un filtre maison de passe bas RC (R = 1 kΩ, C = 0,1 µF) qui réduit le bruit de la tension de polarisation inverse. Faire en sorte que le faisceau sonde frappe le centre de la photodiode à l’aide d’un laser Regarde un cardinal
   2. Connecter la cathode de la photodiode terminale pour le 0-30 V, 5 alimentation A DC à l’aide d’un câble coaxial de 50 Ω. Appliquer une polarisation inverse de 25 V, en tournant le bouton de tension sur l’alimentation, afin que la photodiode est exploitée en mode photoconductrice pour détection de haute fréquence.
3. Mis en place l’amplificateur de lock-in.
   1. Connect le photodétecteur à un 50Ω coaxial passe-bas (LPF) de 1,9 MHz de bande passante à l’aide d’un câble coaxial de 50 Ω. Connectez la sortie de la LPF coaxial directement à l’entrée du signal de l’amplificateur de lock-in (LIA). Appuyez sur la ' Sig-Z en ' bouton sur l’amplificateur à verrouillage pour fixer le signal d’entrée Impédance de l’amplificateur de lock-in de 50Ω.
   2. Canal Connect 1 d’un générateur de fonction à la référence entrée de l’amplificateur de lock-in à l’aide d’un câble coaxial de 50 Ω. Appuyez sur la ' Channel Select ' bouton sur le générateur de fonction et de sélectionner le canal 1. Appuyez ensuite sur la ' Sine ' bouton, puis le ' continu ' le bouton pour régler le canal pour produire une forme d’onde sinusoïdale. Appuyez sur la ' Amplitude ' bouton de raccourci pour régler l’amplitude de l’onde à 0,7 Vpp et le ' fréquence/période ' bouton de raccourci pour régler la fréquence de l’onde f _m = 1,1 MHz.
   3. Canal Connect 2 du générateur de fonction à l’extérieur entrée analogique du pilote modulateur acousto-optique à l’aide d’un câble coaxial de 50 Ω. Suivez la procédure décrite dans la 4.3.2 pour définir un 1 Vpp, f _m = forme d’onde sinusoïdale 1,1 MHz sur le canal 2.
   4. Presse la ' sur ' bouton sur l’appareil de tourner sur les canaux 1 et 2 et de verrouiller leur relation de phase en poussant la ' Phase aligner ' bouton de lunette sur le générateur de fonction.
   5. Commutateur le ' Mode ' bouton sur le pilote de modulateur acousto-optique à ' Normal ' État. Le faisceau de la pompe est maintenant optiquement modulé à f _m = 1,1 MHz.

5. Derniers préparatifs du système et optimisation de la Performance

1. mis en place la collecte de données hiérarchique
   1. Reliez la sortie analogique du compteur de fréquence micro-ondes (FC) à une entrée analogique de l’unité d’acquisition de données (DAQ) à l’aide d’un câble coaxial. Appuyez sur la ' DAC ', ' 1 ' et ' 0 ' boutons sur le compteur de fréquence pour définir la précision de l’affichage de fréquence de 10 MHz. Ce canal surveille la fréquence de pompe-sonde désaccordage.
   2. Connect le ' X ' sortie de l’amplificateur de lock-in (CER) pour la seconde entrée analogique de l’unité d’acquisition de données à l’aide d’un câble coaxial. Appuyez sur la ' sortie ' bouton de la ' X ' Television sur l’amplificateur à verrouillage pour activer le canal. Utiliser ce canal de moniteurs le gain de Brillouin stimulé (SBG) le niveau du signal.
   3. Diviser un canal de sortie d’un générateur de fonction en deux canaux séparés, à l’aide d’un connecteur BNC-té. Se connecter à un canal sur l’entrée courante de modulation du sonde laser contrôleur et la deuxième chaîne de la troisième entrée analogique de l’unité d’acquisition de données à l’aide de câbles coaxiaux. Ce deuxième canal permet d’acquérir le signal actuel de la modulation du laser sonde.
   4. Connecter la sortie USB de l’unité d’acquisition de données à un ordinateur. Écrire un programme dans un progiciel d’acquisition de données pour visualiser et enregistrer les signaux décrits ci-dessus de la data acquisition unit ¹⁴.
2. Monter un échantillon d’eau dans la chambre de mesure. Chambre de 500 µm d’épaisseur verre
   1. remplir une maison construite avec de l’eau distillée. La chambre est composé deux ronds 25 mm diamètre 0,17 mm verre épais lamelles espacées par une bande de 500 µm d’épaisseur polytétrafluoroéthylène.
   2. Monter un porte de chambre sur une scène de 3 axes de translation motorisée. Placer la chambre de mesure dans le support et le traduire au point mise au point conjointe de la sonde et la pompe lentilles de focalisation (L-₃ et L ₄, respectivement) en utilisant la platine motorisée.
3. Chauffer la cellule rubidium.
   1. Portez des lunettes de sécurité laser pour 780 nm laser utilisation. Augmenter la puissance du laser pompe à obtenir > 250 mW sur l’échantillon en tournant le bouton actuel sur le contrôleur de la conique-amplificateur et en mesurant la puissance juste avant l’échantillon avec un wattmètre.
   2. Ensemble la constante de temps de l’amplificateur de lock-in (CER) à 1 s en appuyant sur la ' haut/bas régler ' boutons sur l’amplificateur de lock-in. Définissez le filtre passe-bas de l’amplificateur de lock-in à 24 dB/oct en poussant le ' haut/bas de pente filtre ' boutons. Régler la sensibilité de l’amplificateur à verrouillage à 1 mVeff en appuyant sur le ' Sens haut/bas ' boutons. Utilisez la fonction de phase d’alignement de l’amplificateur de lock-in pour régler le décalage de phase entre les entrées de référence et le signal de l’amplificateur en appuyant sur la ' Maj ' et ' Phase ' boutons.
   3. Suivre les réflexions parasites pompe en observant les lectures sur la ' X ' canal de l’amplificateur de lock-in.
   4. Réaccorder la longueur d’onde de pompe à rubiduim-85 D ₂ F _g = 3 raie d’absorption en tournant doucement le bouton actuel sur le contrôleur de laser pour obtenir une lecture de réflexion minimale pompe errants sur le ' X ' canal de l’amplificateur de lock-in.
   5. Set 17 V DC sur la puissance alimentation connecté au ruban thermique pour réchauffer de la cellule de rubidium à 90 ^o C. attendre quelques minutes jusqu'à ce que la lecture du thermomètre se stabilise sur la température de la cellule souhaitée. Remarque : Les afficheurs de signal observées sur la ' X ' canal de l’amplificateur de lock-in devrait baisser rapidement au cours du chauffage (en raison de l’augmentation notable de l’absorption de la cellule).
4. Mesurer et optimiser le signal SBG dans l’eau.
   1. Augmenter la puissance du laser sonde pour obtenir > 10 mW sur l’échantillon en tournant le bouton actuel sur le contrôleur de laser et mesure de la puissance juste avant l’échantillon avec un wattmètre.
   2. Tune grossièrement la longueur d’onde de sonde à la D2 rubiduim-85 _{F g} = 3 raie d’absorption en tournant le bouton de température sur le contrôleur de laser de sonde et de mesurer un niveau de puissance minimal laser derrière la cellule rubidium avec un wattmètre.
   3. régler finement la longueur d’onde de sonde pour être plus long que la longueur d’onde de pompe en tournant le bouton actuel sur le contrôleur de laser de sonde jusqu’au > 10 mW, environ, laser puissance constante niveaux sont mesurés derrière la cellule rubidium avec un wattmètre. Remarque : Si la sonde longueur d’onde est plus courte que le laser de pompe, puis les bandes d’absorption supplémentaire de la cellule de rubidium-85 réduisent considérablement la puissance de la sonde à la sortie de la cellule.
   4. Définit la fréquence désaccord entre les pompe et la sonde lasers pour correspondre à la Maj de Brillouin d’eau (~ 5 GHz) en tournant le bouton actuel sur le contrôleur de laser de sonde et en observant la fréquence désaccordage lectures sur le compteur de fréquence (CF). Remarque : Pour le négatif (positif) premier ordre faisceau diffracté, ces lectures doivent être plus grands (plus petit) que le passage de Brillouin de la Fédération de Russie conduite fréquence du modulateur acousto-optique (210 MHz dans cette configuration).
   5. Régler la sensibilité de l’amplificateur à verrouillage à 100 µVrms et ajustez le décalage de phase entre les entrées de référence et le signal de l’amplificateur à zéro en suivant la procédure en 5.3.3.
   6. Optimiser l’efficacité du passage des faisceaux pompe et sonde de réglage (i) finement Ø _x et vis _y Ø du Mont cinématique du miroir rabattable de la poutre de pompe (M ₆) et (ii) un peu traduire la pompe concentrant (L. ₄) le long de l’axe optique du système.
   7. Veiller à ce que plus de signaux lectures sur la ' X ' canal de l’amplificateur de lock-in résultent principalement de l’intensification de la SBG (plutôt que de réflexions parasites pompe) en bloquant le faisceau de la sonde et de mesurer les taux inchangé de pompe errant réflexions sur la ' X ' canal de l’amplificateur de lock-in.
   8. Répéter les étapes 5.4.6-7 jusqu'à ce que le signal SBG atteint un maximum (> 2 µVrms), tout en gardant les réflexions parasites pompe à un niveau minimal inchangé.

6. Mesurer et analyser un spectre de SBG

1. créer une courbe d’étalonnage de la sonde modulation actuelle vs pompe-sonde fréquence désaccordage.
   1. Régler le désaccord de fréquence entre les pompe et la sonde lasers à 5 GHz (environ le quart de Brillouin d’eau) en tournant le bouton actuel sur le contrôleur de laser de sonde.
   2. Presse la ' RES ' et ' 5 ' boutons sur le compteur de fréquence micro-ondes (FC) pour définir le temps d’ouverture à 1 ms, fournissant un intervalle d’échantillonnage de 100 ms entre fréquence consécutive désaccordage Mensurations. Appliquer une onde triangulaire sur l’entrée courante de modulation du contrôleur sonde laser en suivant la procédure décrite dans 2.2.5 avec les paramètres amplitude et fréquence de forme d’onde de 150 mVpp à 50 mHz, respectivement. Cela permettra à balayer lentement la longueur d’onde de la sonde (et donc la fréquence de la pompe-sonde désaccord) dans l’ensemble de 2 GHz.
   3. Définir la fréquence d’échantillonnage de l’unité d’acquisition de données (DAQ) de 100 échantillons/s/canal et enregistrer le désaccord de fréquence de pompe-sonde et sonde laser modulation signaux actuels de l’unité d’acquisition de données pour 20 s (plus de 4 à 6 GHz) en utilisant les données écrites à la maison programme d’acquisition de.
   4. Charger les données de mesure dans un logiciel informatique. Ajuster les données detuning de fréquence de pompe-sonde avec un modèle linéaire. Notez qu’il est également possible d’utiliser un ajustement polynomial d’ordre supérieur (en raison de la non-linéarité de la fréquence de la pompe-sonde désaccordage mesures). S’adapter également les données actuelles modulation de sonde laser avec un modèle linéaire.
   5. Générer la courbe d’étalonnage en stockant dans un logiciel de calcul de la fréquence de la pompe-sonde désaccordage échantillons échantillons ajustement en fonction de la modulation de sonde actuelle fit.
2. Mesurer un spectre SBG à haute vitesse.
   1. Monter l’échantillon à l’essai (S), par exemple, l’eau utilisée dans les expériences, comme décrit dans 5.2.1 - 2 distillée. Répétez les étapes 5.4.1 - 8.
   2. Définir la constante de temps d’amplificateur à verrouillage (CER) à ≥ 100 µs en appuyant sur la ' haut/bas régler ' boutons sur l’amplificateur de lock-in. Appliquer une onde triangulaire sur l’entrée courante de modulation du contrôleur sonde laser en suivant la procédure décrite dans 2.2.5 avec les paramètres amplitude et fréquence de forme d’onde de 150 mVpp à 50 Hz, respectivement. Ceci permettra d’analyser rapidement la longueur d’onde de la sonde (et donc la fréquence de la pompe-sonde désaccord) dans l’ensemble de 2 GHz.
   3. La valeur du taux d’échantillonnage de l’unité d’acquisition de données (DAQ) ≤ 100 000 échantillons/s/canal et enregistrement de la SBG et la sonde laser signaux de courant de modulation de l’unité d’acquisition de données pour ≥ 10 ms (plus de 4 à 6 GHz) en utilisant les données écrites à la maison programme d’acquisition de.
3. Visualiser et analyser le spectre de la SBG.
   1. Charge les données de mesure enregistrées dans 6.2.6 dans un logiciel de calcul.
   2. Convertir les valeurs actuelles de modulation mesurée sonde laser à fréquence de pompe-sonde désaccordage valeurs en identifiant ces valeurs dans la courbe d’étalonnage stockées au point 6.1.5.
   3. Soustraire le plancher de bruit moyen du spectre et de visualiser le spectre de la SBG en traçant les mesures SBG contre la fréquence de la pompe-sonde désaccordage valeurs.
   4. Fit le spectre avec une courbe de Lorentz. Pour l’estimation des paramètres lorentziennes, utiliser la position de la fréquence, l’amplitude et la pleine largeur à la moitié du point plus élevé du spectre.
   5. Calculer le déplacement de Brillouin et la largeur de raie de l’échantillon testé en récupérant la position de la fréquence du maximum et pleine largeur à moitié-maximum de la fit lorentzienne, respectivement.

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Résultats

Figures 2 b et 3 b affichent les spectres point SBG typique d’eau distillée et tissus lipidiques-émulsion échantillons fantômes (avec 2,25 événements de diffusion et un coefficient d’atténuation de 45 cm^-1) mesurés dans le cadre de 10 ms et 100 ms, respectivement. À titre de comparaison, nous avons mesuré les spectres SBG en 10 s comme indiqué dans les Figures 2 a et 3 a. Dans ces mesures, la cel...

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Discussion

Le système, illustré à la Figure 1, a été conçu pour être construit sur une maquette de 18'' x 24'' qui peut être monté verticalement sur une table optique, faciliter le placement des échantillons aqueux. En conséquence, il est important de serrer tous les éléments optiques et mécaniques fortement et de veiller à ce que les poutres de la pompe et la sonde sont colinéaires et concentrique avec les différents éléments avant d’éclairer l’échantillon en géométrie hors-axe.

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matériels

Name	Company	Catalog Number	Comments
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-RB85-25x150-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
round 25 mm diameter cover glass thick:1 #	Menzel Glaser	150285	Quantity: 1
Computational software	MathWorks	MATLAB 2015a