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Method Article
Aqui apresentamos um protocolo para construir um espectrómetro de Brillouin rápida. Cascata matriz fase praticamente fotografada (Vipa) etalons alcançar uma velocidade de medição mais de 1.000 vezes mais rápido do que de digitalização tradicional espectrômetros Fabry-Perot. Este melhoramento proporciona os meios para análise de Brillouin de tecido e biomateriais em níveis baixos de potência in vivo.
O objetivo deste protocolo é para construir um alto-extinção paralela e de alta resolução espectrômetro de Brillouin óptica. Espectroscopia de Brillouin é um método de medida sem contacto, que pode ser utilizado para se obter as leituras directas de propriedades do material viscoelástico. Tem sido uma ferramenta útil na caracterização de materiais, monitoramento estrutural e sensoriamento ambiental. No passado, a espectroscopia de Brillouin tem geralmente empregue digitalização etalons Fabry-Perot para realizar a análise espectral. Este processo requer alta potência de iluminação e longos tempos de aquisição, tornando a técnica inadequada para aplicações biomédicas. Um romance espectrômetro recentemente introduzido supera este desafio, empregando dois VIPAs em uma configuração de eixo transversal. Esta inovação permite (GHz) Resolução análise espectral-Gigahertz sub com tempo de aquisição de sub-segundo e poder iluminação dentro dos limites de segurança de tecido biológico. As novas aplicações múltiplas facilitados por esta melhoria são currently sendo exploradas na pesquisa biológica e aplicações clínicas.
Dispersão de Brillouin, primeiro descrito por Leon Brillouin 1 em 1922, é a dispersão elástica de luz a partir dos meios térmicos acústicos em forma de um sólido e a partir das flutuações térmicas de densidade em um líquido ou gás. O desvio espectral da luz difusa, geralmente na gama de sub-GHz, fornece informações sobre a interacção entre a luz incidente e as fonões acústicas da amostra. Como um resultado, ele pode fornecer informação útil sobre as propriedades viscoelásticas do material examinado.
Na sua versão espontânea, geralmente a dispersão de Brillouin tem secções transversais da ordem de dispersão de Raman, resultando num sinal muito fraco. Além disso, as mudanças de freqüência de Brillouin são ordens de grandeza menor do que mudanças Raman. Como conseqüência, elasticamente espalhados luz (de Rayleigh ou espalhamento Mie), a luz difusa, e back-reflexões fora da amostra pode facilmente ofuscar a assinatura espectral Brillouin. Conseqüentemente, Um espectrômetro de Brillouin precisa não só alcançar sub-GHz resolução espectral, mas também alto contraste espectral ou extinção.
Em espectrômetros de Brillouin tradicionais cumprimento desses requisitos, por monocromadores-grade de digitalização, métodos de espancamento ópticos, e, mais popularmente, a digitalização de várias passagens Fabry-Perot interferômetros 2. Estes métodos medir cada componente espectral em seqüência. Esta abordagem conduz a tempos de aquisição de um espectro de Brillouin única que varia de alguns minutos a várias horas, dependendo do instrumento e na amostra. O espectrômetro VIPA em duas fases, construído usando este protocolo, tem a capacidade de recolher todos os componentes espectrais dentro de menos de um segundo, proporcionando extinção suficiente (> 60 dB) para suprimir eficazmente outros sinais espúrios 2.
A integração dos etalons Vipa é o elemento-chave deste espectrômetro. Um VIPA é um étalon sólido com três diferentes cáreas flutuantes: na superfície da frente, uma tira de revestimento anti-reflexão estreita permite que a luz entre na VIPA, enquanto que o resto da superfície apresenta um (RH) de revestimento altamente reflector; na superfície traseira, um revestimento parcialmente reflector permite que uma pequena porção (~ 5%) de que a luz seja transmitida. Quando focado na entrada estreita do VIPA ligeiramente inclinada, o feixe de luz se reflete em sub-componentes com diferença de fase estável no VIPA 2. Interferência entre as sub componentes alcança a alta dispersão espectral aspirado. Alinhando dois VIPAs sequencialmente em configuração de eixo transversal apresenta dispersão espectral em direcções ortogonais 3. A dispersão espectral em direcções ortogonais espacialmente separa os picos de Brillouin de diafonia não desejada, o que faz com que seja possível pegar apenas o sinal de Brillouin. A Figura 1 mostra uma representação esquemática do espectrómetro de duas fases VIPA. As setas abaixo dos elementos ópticos indicar as degree de liberdade em que devem ser orientados os estágios de translação.
Figura 1. Configuração Instrumental. Uma fibra óptica proporciona o espalhamento de Brillouin no espectrómetro. Uma lente cilíndrica C1 (F = 200 mm) foca a luz para a entrada do primeiro VIPA (VIPA1). Outra lente cilíndrica C2 (F = 200 mm) mapeia a dispersão angular espectral para uma separação espacial no plano focal de C2. Neste plano, uma máscara vertical é utilizado para seleccionar a parte desejada do espectro. Uma configuração análoga segue, inclinado em 90 graus. O feixe passa através de uma lente esférica S1 (f = 200 mm) e é focada na abertura de entrada da segunda VIPA (VIPA2). Uma lente esférica S2 (f = 200 mm) cria o padrão separadas espectralmente bidimensional no seu plano focal, onde outro horizontal máscara é colocado. O hormáscara izontal é fotografada na câmara EMCCD utilizando um par de lente acromática. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Um estudante de graduação com alguns cursos óptica e experiência básica de alinhamento deve ser capaz de construir e usar este espectrômetro de dois estágios. O espectrómetro foi recentemente mostrado para ser compatível com uma variedade de sondas ópticas 3,4,5 padrão (por exemplo, microscópio confocal, endoscópio, oftalmoscópio com lâmpada de fenda). Aqui, o espectrómetro está ligado a um microscópio confocal. A luz de laser está alinhado em um sistema de investigação microscópio invertido padrão depois de integrar um divisor de feixe 90:10. A luz de retroespalhamento a partir da amostra é acoplado a uma fibra de modo único, fazendo com que o microscópio confocal.
Nota: a análise espectral de Brillouin requer um único laser de modo longitudinal (~ 10 mW na amostra). Para fins de alinhamento, utilizar uma porção fortemente atenuada desta feixe de laser (<0,1 mW).
1. Configuração inicial de fibra ea EMCCD (Electron Multiplied Charge Coupled Device) Camera
2. Horizontal Fase de Spectrometer
3. Vertical Stage do Spectrometer
4. A combinação das duas fases e alinhamento final
5. Medindo a Mudança Brillouin
6. Calibração e Análise do Espectro de Brillouin
Figura 2. calibração Spectrometer. Estrutura (A) câmera EMCCD obtidos a partir de amostra de calibração. (B) Lorentzian ajuste de curva (vermelha) para os dados medidos (azul). Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
A Figura 3 mostra os espectros de Brillouin representativa e seus ajustes para materiais diferentes. Os VIPAs têm ambos uma espessura de 5 mm, o que resulta numa FSR de cerca de 20 GHz. O tempo de integração para estas medições foi de 100 ms. 100 medições foram tomadas e média. Uma medida de calibração foi feita antes de adquirir os espectros.
Uma característica chave deste projeto espectrómetro de configuração é que as duas fases pode ser alinhada de modo independente. Quando um étalon VIPA é feita deslizar para fora do percurso óptico, as lentes restantes da fase espectrómetro de formar uma mistura 1: 1 sistema de imagem, de modo que o padrão espectral de cada estágio é fotografada para a câmara CCD. Portanto, é fácil de voltar para qualquer uma das etapas a melhorar o seu desempenho, sem afectar o alinhamento da outra fase. O conjunto de est...
Giuliano Scarcelli and Seok H. Yun hold patents related to Brillouin spectroscopy technology.
This work was supported in part by the National Institutes of Health (P41-EB015903, R21EY023043, K25EB015885), National Science of Foundation (CBET-0853773) and Human Frontier Science Program (Young Investigator Grant).
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 |
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