Name: high speed sub-ghz spectrometer for brillouin scattering analysis
Uploaded: 2015-12-22T15:00:00.000+00:00
Duration: 13 min 31 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about High Speed Sub-GHz Spectrometer for Brillouin Scattering Analysis at JoVE.com

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).

<ol>
	<li>Brillouin, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Diffusion+de+la+lumiere+et+des+rayonnes+X+par+un+corps+transparent+homogene;+influence+del'agitation+thermique.">Diffusion de la lumiere et des rayonnes X par un corps transparent homogene; influence del'agitation thermique.</a> Ann. Phys. (Paris) . 17, 88-122 (1922).</li><li>Scarcelli, G., Yun, S. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multistage+VIPA+etalons+for+high-extinction+parallel+Brillouin+spectroscopy.">Multistage VIPA etalons for high-extinction parallel Brillouin spectroscopy.</a> Opt. Exp. 19 (11), 10913-10922 (2011).</li><li>Scarcelli, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Confocal+Brillouin+microscopy+for+three-dimensional+mechanical+imaging.">Confocal Brillouin microscopy for three-dimensional mechanical imaging.</a> Nat. Phot. 2 (1), 39-43 (2008).</li><li>Nichols, A. J., Evans, C. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Video-rate+Scanning+Confocal+Microscopy+and+Microendoscopy.">Video-rate Scanning Confocal Microscopy and Microendoscopy.</a> J. Vis. Exp. (56), e3252 (2011).</li><li>Steelman, Z., Meng, Z., Traverso, A. J., Yakovlev, V. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Brillouin+spectroscopy+as+a+new+method+of+screening+for+increased+CSF+total+protein+during+bacterial+meningitis.">Brillouin spectroscopy as a new method of screening for increased CSF total protein during bacterial meningitis.</a> J. Biophoton. 8 (5), 1-7 (2014).</li><li>Koski, K. J., Yarger, J. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Brillouin+imaging.">Brillouin imaging.</a> Appl. Phys. Lett. 87 (6), 061903 (2005).</li><li>Faris, G. W., Jusinski, L. E., Hickman, A. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-resolution+stimulated+Brillouin+gain+spectroscopy+in+glasses+and+crystals.">High-resolution stimulated Brillouin gain spectroscopy in glasses and crystals.</a> J. Opt. Soc. Am. B. 10 (4), 587-599 (1993).</li><li>Scarcelli, G., Yun, S. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+vivo+Brillouin+optical+microscopy+of+the+human+eye.">In vivo Brillouin optical microscopy of the human eye.</a> Opt. Exp. 20 (8), 9197-9202 (2012).</li><li>Scarcelli, G., Besner, S., Pineda, R., Kalout, P., Yun, S. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+Vivo+Biomechanical+Mapping+of+Normal+and+Keratoconus+Corneas.">In Vivo Biomechanical Mapping of Normal and Keratoconus Corneas.</a> Jama Ophtalmol. , (2015).</li><li>Scarcelli, G., Kim, P., Yun, S. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=+In+Vivo+Measurement+of+Age-Related+Stiffening+in+the+Crystalline+Lens+by+Brillouin+Optical+Microscopy."> In Vivo Measurement of Age-Related Stiffening in the Crystalline Lens by Brillouin Optical Microscopy.</a> Biophys. J. 101 (6), 1539-1545 (2011).</li><li>Antonacci, G., Foreman, M. R., Paterson, C., T&#246;r&#246;k, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spectral+broadening+in+Brillouin+imaging.">Spectral broadening in Brillouin imaging.</a> Appl. Phys. Lett. 103 (22), 221105 (2013).</li><li>Meng, Z., Traverso, A. J., Yakovlev, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Background+clean-up+in+Brillouin+microspectroscopy+of+scattering+medium.">Background clean-up in Brillouin microspectroscopy of scattering medium.</a> Opt. Exp. 22 (5), 5410-5415 (2014).</li><li>Reiss, S., Burau, G., Stachs, O., Guthoff, R., Stolz, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spatially+resolved+Brillouin+spectroscopy+to+determine+the+rheological+properties+of+the+eye+lens.">Spatially resolved Brillouin spectroscopy to determine the rheological properties of the eye lens.</a> Biomed. Opt. Exp. 2 (8), 2144-2159 (2011).</li><li>Scarcelli, G., Kling, S., Quijano, E., Pineda, R., Marcos, S., Yun, S. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Brillouin+microscopy+of+collagen+crosslinking:+noncontact+depth-dependent+analysis+of+corneal+elastic+modulus.">Brillouin microscopy of collagen crosslinking: noncontact depth-dependent analysis of corneal elastic modulus.</a> Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. 54 (2), 1418-1425 (2013).</li></ol>

Giuliano Scarcelli and Seok H. Yun hold patents related to Brillouin spectroscopy technology.

この分光計の構成の重要な設計上の特徴は、二つのステージが独立して整列させることができるということです。各段階からのスペクトルパターンは、CCDカメラ上に結像されるように、1イメージングシステム：VIPAエタロンは、光路の外にスライドさせると、分光計ステージの残りのレンズは、1を形成します。したがって、他のステージの配置に影響を与えることなく、その性能を向上させるための段階のいずれかに戻ることは簡単です。プロトコルで提案されている並進ステージと自由度のセットは、独立して、分光計の両段階を最適化する能力を維持するこの哲学に従ってください。 それは自由の傾斜度は、入力窓軸周りに回転するようにVIPAエタロンを実装することは困難です。エタロンを傾け、市販の光学機械部品で動作している場合その後、必然的に入力ウィンドウの小さな翻訳を紹介します。 translat光ビーム軸に沿ってイオンがあるため、入力レンズ（〜3ミリメートル）の大きなレイリー範囲の負の効果を誘発するべきではありません。一方、ビーム伝搬軸に直交変換を大幅に分光器のスループットを減少させることができます。 VIPAホルダーの並進自由度のチルトがフィネスとスループットを最大にするために連携して動作しなければならない理由です。なお、VIPAエタロンに光を結合することは、ほぼ無損失であるように、比較的高い傾斜角（〜3-5度）と位置合わせ手順を開始することが提案されています。位置合わせが改善されるように、傾斜角は、フィネスを改善するために低下させることができます。フィネスとスループットの最適化は、特に積分時間とレーザパワーが可能な限り低く維持しなければならない生物学的物質への応用のために、位置合わせプロトコルの重要な部分です。 プロトコルでは、Tからブリルアンシフトを抽出するために提案されています彼2つのスペクトルピークの分析、すなわちストークスとアンチストークスは、隣接する2つの回折次数からのピーク。これは、レーザ周波数ドリフト、またはエタロン温度の変化に起因するアーチファクトを最小限に本質的に堅固な手順です。しかし、著しく異なるスペクトルシフトを有するピークを測定することの欠点を有していてもよいです。実際には、スペクトルキャリブレーションの提供手順は、スペクトルパターンにわたって一定のスペクトル分散の仮定に基づいています。実際には、スペクトル分散は、回折の低い順序で増大します。その結果、分析されたスペクトルの領域（すなわち、隣接する回折次数からストークスおよび反ストークスピーク）は、異なるスペクトル分散体を有していてもよいです。この場合には、ここに記述されたスペクトル較正手順は、不正確なブリルアンシフトを提供します。これは、既知のブリルアンシフトの複数の材料が、多項式フィット分光較正曲線を構築するためにこのような状況で使用されるべきであることが示唆されています。ブリルアンシフトの絶対値は、2つの条件の間のブリルアンシフトの相対的な変化ではなく、比較する必要がある場合、これは特に重要です。 一般的に、VIPAを含む自由空間エタロンのフィネスは、〜50を超えない、ここで説明します。その結果、高スペクトル分解能と自由スペクトル範囲との間で検討するトレードオフが存在することになります。ほとんどの生体材料が10未満ギガヘルツのブリルアンシフトを持っているので、このプロトコルでは20 GHz帯の自由スペクトル範囲は、緑色（532nm）をレーザ動作のために提案されています。ストークスとアンチストークス周波数が半分FSRはスペクトルにエイリアスされて表示されますより大きくシフトしているため、FSRの半分だけはブリルアン分析に利用可能です。 困難は、ブリルアン信号を観測する際に遭遇する場合は、問題が迷光の過剰量に、またはブリルアン光子の低い数に関連しているかどうかを認識することが重要です。過度の浮遊LIGHTを効果的に除去する必要があります。ブラックボックスエンクロージャは光を通さないであることを確認してください。サンプルがなければ、部屋の照明をオンにするか、レーザーをオフにすると、大幅にEMCCDカメラ背景光子数を変更しないでください。レーザー光は、試料の表面から反射除去するために、わずかにサンプルを傾け、空間マスクで観測を開始し、信号を遮断することなく、可能な限り閉じました。これらの2つの手順は、非常に薄暗いブリルアン信号の観測を可能にするために、積分時間を増やすことが可能になります。それでも信号がない場合には、ブリルアン信号が弱すぎる可能性が高いです。メタノールなどの強いブリルアン信号と異なるサンプルを使用するか、または共焦点顕微鏡での集光光学系のアライメントをチェックしてください。正常に信号を観測した後、プロトコルに記載のステップ5.4に従うことによって、さらにそれを最適化します。 吸収又は散乱に起因する入射光の損失は、取得時間Rを増加させますサンプル分析のためにequired。その結果、最良の結果は、通常、透明または薄い材料で得られます。よく整列分光計は、液体材料や透明なプラスチックサンプルの積分時間のサンプルと100ミリ秒での光の5ミリワットで高い光子数（ピーク時&gt; 1000）を取得することができる必要があります。これは、従来の走査型分光計よりも大幅に高速です。その低い取得時間と照射パワーに、このような分光計は 、in vivoイメージング-機械3,10,11,12ためブリルアン分光法を用いて可能にしました。分析計のこのタイプを使用して、いくつかのグループは、脊髄液4の細菌性髄膜炎を検出し、アイレンズ13のレオロジー特性を測定し、角膜の弾性係数14を分析などの様々な用途を実証しています。 分光器へのさらなる改良は、特に低損失の超狭帯域ならば、近い将来に期待されています通過および/またはノッチフィルタは、VIPAスペクトル分散に消光要件を緩和するために組み込むことができます。分光計は、標準的な光プローブの様々な組み合わせで使用することができるので、例えば、共焦点顕微鏡3,4,5、内視鏡、および細隙灯ophthalmoscopesため、VIPA分析計は、いくつかの生物医学的用途に尽力コンポーネントとすることができます。

最初の1922年にレオンブリルアン1で説明したブリルアン散乱は、固体及び液体や気体の熱密度の変動からの熱音響モードからの光の非弾性散乱です。通常、サブGHzの範囲で散乱光のスペクトルシフトは、入射光と、試料中の音響フォノンとの相互作用に関する情報を提供します。結果として、それが検査材料の粘弾性特性に関する有用な情報を提供することができます。 その自発的なバージョンでは、ブリルアン散乱は、一般的に非常に弱い信号を生じる、ラマン散乱のために、断面を有しています。また、ブリルアン周波数シフトは、ラマンシフトよりも小さい大きさのオーダーです。その結果、弾性（レイリーやミー散乱からの）散乱光、迷光、およびサンプルのオフ後方反射は、すべて簡単にブリルアンスペクトル特性を曇らせることができます。したがって、、ブリルアン分光計は、サブGHzのスペクトル分解能も高いスペクトルコントラストや絶滅を達成するだけでなく、必要があります。 伝統的なブリルアン分光器では、これらの要件は、最も一般走査格子モノクロメータ、光ビーティング法、および、マルチパススキャニングファブリペロー干渉計2によって満たされます。これらの方法は、各スペクトル成分を順次測定します。このアプローチは、機器上で、サンプルに応じて、数分から数時間に及ぶ単一のブリルアンスペクトルを取得時間につながります。二段VIPA分析計、このプロトコルを使用して構築され、効果的に他のスプリアス信号2を抑制するために十分な消光（&gt; 60 dB）を提供しながら秒未満内のスペクトル成分のすべてを収集する能力を有します。 VIPAエタロンの統合は、この分光計の重要な要素です。 VIPAは、3つの異なるCと固体エタロンであります浮動領域は：表面の残りの部分は、高反射性（HR）コーティングを備えていながら、前面には、狭い反射防止コーティングストリップは、光がVIPAを入力することができます。裏面に、部分的に反射コーティングは、光の小さな部分（約5％）が送信されることを可能にします。少し傾いVIPAの狭い入り口上に集光すると、光ビームは、VIPA 2内の固定位相差でサブコンポーネントに反映されます。サブコンポーネント間の干渉が熱望高いスペクトル分散を実現しています。交差軸構成で順次2 VIPAsを整列させること直交方向3のスペクトル分散を紹介します。直交する方向のスペクトル分散は、空間的にのみブリルアン信号をピックアップすることが可能となり、不要なクロストークからブリルアンピークを分離します。1ディスプレイを2段VIPA分光計の模式図 。光学素子の下にある矢印は、度を示します並進ステージが指向されるべき自由のREE。 <img alt="図1" class="jove_content" p="" src="/files/ftp_upload/53468/53468fig1.jpg" /> 図1.インストゥルメンタルセットアップ。光ファイバは、分光計にブリルアン散乱を提供しています。円柱レンズC1（F = 200ミリメートル）は、第一VIPA（VIPA1）の入り口に光を集光します。別のシリンドリカルレンズC2（F = 200ミリメートル）はC2の焦点面で空間的に分離するにスペクトル角度分散をマッピングします。この面では、垂直マスクは、スペクトルの所望の部分を選択するために使用されます。類似の構成は、90度に傾け、次の。ビームは球面レンズS1（F = 200ミリメートル）を通過し、第二VIPA（VIPA2）の入射スリットに集光されます。球面レンズS2（F = 200 mm）を、別の水平方向のマスクが配置され、その焦点面、2次元スペクトル分離パターンを作成します。 HORizontalマスクは色消しレンズ対を用いEMCCDカメラ上に結像される。 <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53468/53468fig1large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> いくつかの光学コースと基本的な位置合わせの経験を持つ学部学生は、この二段階の分光器を構築し、使用することができるはずです。分光計は、最近、標準的な光学プローブ3,4,5（例えば、共焦点顕微鏡、内視鏡、細隙灯検眼鏡）の様々な互換性のあることが示されています。ここで、分光器は、共焦点顕微鏡に接続されています。レーザ光を90:10ビームスプリッタを統合した後、標準的な研究システム倒立顕微鏡に整列されます。サンプルからの後方散乱光は、共焦点顕微鏡を作る、単一モード光ファイバに結合されます。

<table><tbody><tr><td colspan="4">&lt;strong&gt;OPTICS&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>VIPA (virtual image phase array)</td><td>LIGH MACHINERY</td><td></td><td>Quantity: 2</td></tr><tr><td>Bundle of Three 423 Linear Stages with SM-25 Micrometers</td><td>NEWPORT</td><td>423-MIC&amp;nbsp;</td><td>Quantity: 1</td></tr><tr><td>SS Crossed-Roller Bearing Translation Stage, 0.5 in., 8-32, 1/4-20</td><td>NEWPORT</td><td>9066-X</td><td>Quantity: 1</td></tr><tr><td>Vernier Micrometer, 13&amp;nbsp;mm Travel, 9 lb Load Capacity, 50.8 TPI</td><td>NEWPORT</td><td>SM-13</td><td>Quantity: 1</td></tr><tr><td>Adjustable Width Slit</td><td>NEWPORT</td><td>SV-0.5</td><td>Quantity: 2</td></tr><tr><td>Compact Dovetail Linear Stage, 0.20 in. Z Travel, 1.57x1.57x1.38&amp;nbsp;in.</td><td>NEWPORT</td><td>DS40-Z</td><td>Quantity: 2</td></tr><tr><td>Slotted Base Plate, 25 or 40&amp;nbsp;mm to 65&amp;nbsp;mm Stage, 1.1 in. Range</td><td>NEWPORT</td><td>B-2B</td><td>Quantity: 2</td></tr><tr><td>&amp;Oslash;1/2&quot; Optical Post, 8-32 Setscrew, 1/4&quot;-20 Tap, L = 2&quot;, 5 Pack</td><td>THORLABS</td><td>TR2-P5</td><td>Quantity: 2</td></tr><tr><td>&amp;Oslash;1/2&quot; Post Holders, Spring-Loaded Hex-Locking Thumbscrews, L = 2&quot;, 5 Pack</td><td>THORLABS</td><td>PH2-P5</td><td>Quantity: 1</td></tr><tr><td>&amp;Oslash;1/2&quot; Post Holders, Spring-Loaded Hex-Locking Thumbscrew, L = 3&quot;, 5 Pack</td><td>THORLABS</td><td>PH3-P5</td><td>Quantity: 1</td></tr><tr><td>Imperial Lens Mount For 2&quot; Optics, 8-32 Tap</td><td>THORLABS</td><td>LMR2</td><td>Quantity: 2</td></tr><tr><td>f=200.0 mm, &amp;Oslash;2&quot; Achromatic Doublet, ARC: 400-700 nm</td><td>THORLABS</td><td>AC254-200-A</td><td>Quantity: 2</td></tr><tr><td>Kinematic Mount for up to 1.3&quot; (33&amp;nbsp;mm) Tall Rectangular Optics, Right Handed</td><td>THORLABS</td><td>KM100C</td><td>Quantity: 2</td></tr><tr><td>Fixed Cylindrical Lens Mount, Max Optic Height: 1.60&quot; (40.6 mm)</td><td>THORLABS</td><td>CH1A</td><td>Quantity: 2</td></tr><tr><td>f=200.00 mm, H=30.00 mm, L=32.0 mm, N-BK7 Plano-Convex Cylindrical Lens, Antireflection Coating: 350-700 nm</td><td>THORLABS</td><td>L1653L1-A</td><td>Quantity: 2</td></tr><tr><td>Right-Angle Post Clamp, Fixed 90&amp;deg; Adapter</td><td>THORLABS</td><td>RA90</td><td>Quantity: 1</td></tr><tr><td>Adapter with External C-Mount Threads and Internal SM1 Threads</td><td>THORLABS</td><td>SM1A9</td><td>Quantity: 1</td></tr><tr><td>Studded Pedestal Base Adapter, 1/4&quot;-20 Thread</td><td>THORLABS</td><td>PB4</td><td>Quantity: 2</td></tr><tr><td>Spacer, 2&quot; x 3&quot;, 1.000&quot; Thick</td><td>THORLABS</td><td>Ba2S7</td><td>Quantity: 2</td></tr><tr><td>543 nm, f=15.01 mm, NA=0.17 FC/APC Fiber Collimation Pkg.</td><td>THORLABS</td><td>F260APC-A</td><td>Quantity: 1</td></tr><tr><td>SM1-Threaded Adapter for &amp;Oslash;11&amp;nbsp;mm collimators</td><td>THORLABS</td><td>Ad11F</td><td>Quantity: 1</td></tr><tr><td>Translating Lens Mount for &amp;Oslash;1&quot; Optics, 1 Retaining Ring Included</td><td>THORLABS</td><td>LM1XY</td><td>Quantity: 1</td></tr><tr><td>Single Mode Patch Cable, 450 - 600 nm, FC/APC, 2 m Long</td><td>THORLABS</td><td>P3-460B-FC-2</td><td>Quantity: 1</td></tr><tr><td>1:1 Matched Achr. Pair, f1=30 mm, f2=30 mm, BBAR 400-700 nm</td><td>THORLABS</td><td>MAP103030-A</td><td>Quantity: 1</td></tr><tr><td>SM1 Lens Tube&amp;hellip;length to adjust depend on CCD, we have 3.5&amp;nbsp;inches</td><td>THORLABS</td><td>SM1LXX</td><td>Quantity: 1</td></tr><tr><td>Base Adapters for &amp;Oslash;1/2&quot; Post Holders and &amp;Oslash;1&quot; Posts</td><td>THORLABS</td><td>BE1</td><td>Quantity: 8</td></tr><tr><td>Clamping Forks for&amp;nbsp; &amp;Oslash;1/2&quot; Post Holders and &amp;Oslash;1&quot; Posts</td><td>THORLABS</td><td>CF125</td><td>Quantity: 8</td></tr><tr><td>HW-KIT5 - 4-40 Cap Screw and Hardware Kit for Mini-Series&amp;nbsp;</td><td>THORLABS</td><td>HW-KIT5</td><td>Quantity: 1</td></tr><tr><td>D20S - Standard Iris, &amp;Oslash;20.0 mm Max Aperture&amp;nbsp;</td><td>THORLABS</td><td>D20S</td><td>Quantity: 2</td></tr><tr><td colspan="4">&lt;strong&gt;FOR ENCLOSURE&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>25 mm Construction Rail, L = 21&quot;</td><td>THORLABS</td><td>XE25L21</td><td>Quantity: 6</td></tr><tr><td>1&quot; Construction Cube with Three 1/4&quot; (M6) Counterbored Holes</td><td>THORLABS</td><td>RM1G</td><td>Quantity: 8</td></tr><tr><td>Right-Angle Bracket for 25 mm Rails</td><td>THORLABS</td><td>XE25A90</td><td>Quantity: 12</td></tr><tr><td>25 mm Construction Rail, L = 15&quot;</td><td>THORLABS</td><td>XE25L15</td><td>Quantity: 4&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>25 mm Construction Rail, L = 9&quot;</td><td>THORLABS</td><td>XE25L09</td><td>Quantity: 8</td></tr><tr><td>High Performance Black Masking Tape, 2&quot; x 60 yds. (50 mm x 55 m) Roll</td><td>THORLABS</td><td>T743-2.0</td><td>Quantity: 1</td></tr><tr><td>Low-Profile T-Nut, 1/4&quot;-20 Tapped Hole, Qty: 10</td><td>THORLABS</td><td>XE25T3</td><td>Quantity: 1</td></tr><tr><td>1/4&quot;-20 Low-Profile Channel Screws (100 Screws/Box)</td><td>THORLABS</td><td>SH25LP38</td><td>Quantity: 1</td></tr><tr><td>60&quot; (W) x 3 yds. (L) x 0.005&quot; (T) (1.5 m x 2.7 m x 0.12 mm) Blackout Fabric</td><td>THORLABS</td><td>BK5</td><td>Quantity: 1</td></tr><tr><td colspan="4">&lt;strong&gt;CAMERA, LASER and MICROSCOPE&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>EMCCD camera</td><td>ANDOR</td><td>iXon Ultra 897</td><td>Quantity: 1</td></tr><tr><td>400 mW single mode green laser</td><td>LASER QUANTUM</td><td>torus 532</td><td>Quantity: 1</td></tr><tr><td>Research Inverted System Microscope&amp;nbsp;</td><td>OLYMPUS</td><td>IX71</td><td>Quantity: 1</td></tr></tbody></table>

high speed sub-ghz spectrometer for brillouin scattering analysis

このプロトコルの目的は、並列高絶滅と高解像度光学ブリルアン分光計を構築することです。ブリルアン分光法は、粘弾性材料特性の直接読み出しを得るために使用することができる非接触測定方法です。これは、材料特性評価、構造的なモニタリングと環境センシングに有用なツールとなっています。過去には、ブリルアン分光法は、通常、スペクトル解析を実行するためのスキャンファブリペローエタロンを用いています。このプロセスは、生物医学的用途に適さない技術を作り、高い照射パワーと長い取得時間を必要とします。最近導入された新規な分光計は、交差軸構成の2つのVIPAsを用いることにより、この課題を克服します。この技術革新は、生体組織の安全限界内のサブ第2の取得時間と照明電力でサブGHz（ギガヘルツ）の分解能スペクトル解析を可能にします。この改良することによって容易に複数の新しいアプリケーションは、Cuですrrently生物学的研究および臨床応用で検討されています。

<html> 図3は、代表的なブリルアンスペクトルと異なる材料のための彼らのフィットを示しています。 VIPAs両方が約20ギガヘルツのFSRになり5mmの厚さを有します。これらの測定のための積分時間は100ミリ秒でした。 100測定値を採取し、平均しました。 1つの較正測定は、スペクトルを取得する前に採取しました。 <img alt="図3" src="/files/ftp_upload/53468/53468fig3.jpg" /> 異なる材料の3ブリルアンスペクトル図 。 測定されたデータへのローレンツ曲線当てはめ（赤）（青）。 （a）は、メタノールのブリルアンスペクトル。測定されたブリルアンシフトは5.59 GHzのです。 （b）は、エタノールのブリルアンスペクトル。測定されたブリルアンシフトは5.85 GHzのです。ポリスチレンの（c）のブリルアンスペクトル。測定されたブリルアンシフトは14.12 GHzのです。広告/ 53468 / 53468fig3large.jpg「ターゲット= &quot;_空白&quot;&gt;この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。 得られブリルアンシフトは、以前に公開されたデータ3,6,7に同意します。分光計の位置合わせが最適であるかどうかを決定するために、同じ材料の多数のスペクトル測定を順次撮影することができ、ピーク位置の標準偏差を計算することができる。 図4（a）は、順次撮影し、メタノール250ブリルアン測定の時間トレースを示しています;評価ブリルアンシフトのヒストグラムは、 図4Bに示されています。サンプルでの光の5 mWのとよく整列分光器と100ミリ秒の積分時間はσ〜10 MHzの標準偏差を持つことになります。角膜及び水晶体組織内のブリルアンシフトの変化は、1ギガヘルツ9,10,11のオーダーであることが測定されています。したがって、≤10メガヘルツの変動とブリルアンシフトの測定値は、関連の測定を可能にします組織における機械的変動。 <img alt="図4" src="/files/ftp_upload/53468/53468fig4.jpg" /> 250メタノールの測定値を超えるブリルアンシフト図4.偏差。（A）をメタノール250ブリルアン計測の時間トレース。 （B）250の測定値を超えるブリルアンシフト偏差のヒストグラム。 <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53468/53468fig4large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a>

Watch this Scientific Journal Video about High Speed Sub-GHz Spectrometer for Brillouin Scattering Analysis at JoVE.com

High Speed Sub-GHz Spectrometer for Brillouin Scattering Analysis

ここでは、迅速なブリルアン分光計を構築するためのプロトコルを提示します。事実上、画像化された位相配列をカスケード（VIPA）エタロンは、1,000以上の倍高速伝統的なスキャニングファブリペロー分光計より測定速度を実現。この改善は 、インビボで、低電力レベルで組織と生体材料のブリルアン分析のための手段を提供します。

ブリルアン散乱分析用高速サブGHzの分光

The goal of this protocol is to build a parallel high-extinction and high-resolution optical Brillouin spectrometer. Brillouin spectroscopy is a ...

high-speed-sub-ghz-spectrometer-for-brillouin-scattering-analysis

Universidad San Sebastian

Research

JoVE Journal

Bioengineering

14.9K ビュー.  University of Maryland. ここでは、迅速なブリルアン分光計を構築するためのプロトコルを提示します。事実上、画像化された位相配列をカスケード（VIPA）エタロンは、1,000以上の倍高速伝統的なスキャニングファブリペロー分光計より測定速度を実現。この改善は 、インビボで、低電力レベルで組織と生体材料のブリルアン分析のための手段を提供します。 

ビデオ: High Speed Sub-GHz Spectrometer for Brillouin Scattering Analysis

Rejection of Fluorescence Background in Resonance and Spontaneous Raman Microspectroscopy

Raman spectroscopy is often plagued by a strong fluorescent background, particularly for biological samples. If a sample is excited with a train of ultrafast pulses, a system that can temporally separate spectrally overlapping signals on a picosecond timescale can isolate promptly arriving Raman scattered light from late-arriving fluorescence light. Here we discuss the construction and operation of a complex nonlinear optical system that uses all-optical switching in the form of a low-power optical Kerr gate to isolate Raman and fluorescence signals. A single 808 nm laser with 2.4 W of average power and 80 MHz repetition rate is split, with approximately 200 mW of 808 nm light being converted to &lt; 5 mW of 404 nm light sent to the sample to excite Raman scattering. The remaining unconverted 808 nm light is then sent to a nonlinear medium where it acts as the pump for the all-optical shutter. The shutter opens and closes in 800 fs with a peak efficiency of approximately 5%. Using this system we are able to successfully separate Raman and fluorescence signals at an 80 MHz repetition rate using pulse energies and average powers that remain biologically safe. Because the system has no spare capacity in terms of optical power, we detail several design and alignment considerations that aid in maximizing the throughput of the system. We also discuss our protocol for obtaining the spatial and temporal overlap of the signal and pump beams within the Kerr medium, as well as a detailed protocol for spectral acquisition. Finally, we report a few representative results of Raman spectra obtained in the presence of strong fluorescence using our time-gating system.

We discuss the construction and operation of a complex nonlinear optical
system that uses ultrafast all-optical switching to isolate Raman from fluorescence
signals. Using this system we are able to successfully separate Raman and fluorescence
signals utilizing pulse energies and average powers that remain biologically safe.

共鳴と自発ラマン顕微の蛍光バックグラウンドの除去

Raman spectroscopy is often plagued by a strong fluorescent background, particularly for biological samples. If a sample is excited with a train of ...

生物工学

Fabrication And Characterization Of Photonic Crystal Slow Light Waveguides And Cavities

Slow light has been one of the hot topics in the photonics community in the past decade, generating great interest both from a fundamental point of view and for its considerable potential for practical applications. Slow light photonic crystal waveguides, in particular, have played a major part and have been successfully employed for delaying optical signals1-4 and the enhancement of both linear5-7 and nonlinear devices.8-11
Photonic crystal cavities achieve similar effects to that of slow light waveguides, but over a reduced band-width. These cavities offer high Q-factor/volume ratio, for the realization of optically12 and electrically13 pumped ultra-low threshold lasers and the enhancement of nonlinear effects.14-16 Furthermore, passive filters17 and modulators18-19 have been demonstrated, exhibiting ultra-narrow line-width, high free-spectral range and record values of low energy consumption.
To attain these exciting results, a robust repeatable fabrication protocol must be developed. In this paper we take an in-depth look at our fabrication protocol which employs electron-beam lithography for the definition of photonic crystal patterns and uses wet and dry etching techniques. Our optimised fabrication recipe results in photonic crystals that do not suffer from vertical asymmetry and exhibit very good edge-wall roughness. We discuss the results of varying the etching parameters and the detrimental effects that they can have on a device, leading to a diagnostic route that can be taken to identify and eliminate similar issues.
The key to evaluating slow light waveguides is the passive characterization of transmission and group index spectra. Various methods have been reported, most notably resolving the Fabry-Perot fringes of the transmission spectrum20-21 and interferometric techniques.22-25 Here, we describe a direct, broadband measurement technique combining spectral interferometry with Fourier transform analysis.26 Our method stands out for its simplicity and power, as we can characterise a bare photonic crystal with access waveguides, without need for on-chip interference components, and the setup only consists of a Mach-Zehnder interferometer, with no need for moving parts and delay scans.
When characterising photonic crystal cavities, techniques involving internal sources21 or external waveguides directly coupled to the cavity27 impact on the performance of the cavity itself, thereby distorting the measurement. Here, we describe a novel and non-intrusive technique that makes use of a cross-polarised probe beam and is known as resonant scattering (RS), where the probe is coupled out-of plane into the cavity through an objective. The technique was first demonstrated by McCutcheon et al.28 and further developed by Galli et al.29

Use of photonic crystal slow light waveguides and cavities has been widely adopted by the photonics community in many differing applications. Therefore fabrication and characterization of these devices are of great interest. This paper outlines our fabrication technique and two optical characterization methods, namely: interferometric (waveguides) and resonant scattering (cavities).

フォトニック結晶スローライト導波路とキャビティの作製と評価

Slow light has been one of the hot topics in the photonics community in the past decade, generating great interest both from a fundamental point of view ...

工学

Measurement of Scattering Nonlinearities from a Single Plasmonic Nanoparticle

Plasmonics, which are based on the collective oscillation of electrons due to light excitation, involve strongly enhanced local electric fields and thus have potential applications in nonlinear optics, which requires extraordinary optical intensity. One of the most studied nonlinearities in plasmonics is nonlinear absorption, including saturation and reverse saturation behaviors. Although scattering and absorption in nanoparticles are closely correlated by the Mie theory, there has been no report of nonlinearities in plasmonic scattering until very recently. 
Last year, not only saturation, but also reverse saturation of scattering in an isolated plasmonic particle was demonstrated for the first time. The results showed that saturable scattering exhibits clear wavelength dependence, which seems to be directly linked to the localized surface plasmon resonance (LSPR). Combined with the intensity-dependent measurements, the results suggest the possibility of a common mechanism underlying the nonlinear behaviors of scattering and absorption. These nonlinearities of scattering from a single gold nanosphere (GNS) are widely applicable, including in super-resolution microscopy and optical switches. 
In this paper, it is described in detail how to measure nonlinearity of scattering in a single GNP and how to employ the super-resolution technique to enhance the optical imaging resolution based on saturable scattering. This discovery features the first super-resolution microscopy based on nonlinear scattering, which is a novel non-bleaching contrast method that can achieve a resolution as low as l/8 and will potentially be useful in biomedicine and material studies.

Saturable and reverse saturable scattering were discovered in isolated plasmonic particles and adopted as a novel non-bleaching contrast method in super-resolution microscopy. Here the experimental procedures of detecting and extracting nonlinear scattering are explained in detail, as well as how to enhance resolution with the aid of saturated excitation microscopy.

シングルプラズモニックナノ粒子からの散乱非線形性の測定

Plasmonics, which are based on the collective oscillation of electrons due to light excitation, involve strongly enhanced local electric fields and thus ...

High Resolution Phonon-assisted Quasi-resonance Fluorescence Spectroscopy

High resolution optical spectroscopy methods are demanding in terms of either technology, equipment, complexity, time or a combination of these. Here we demonstrate an optical spectroscopy method that is capable of resolving spectral features beyond that of the spin fine structure and homogeneous linewidth of single quantum dots (QDs) using a standard, easy-to-use spectrometer setup. This method incorporates both laser and photoluminescence spectroscopy, combining the advantage of laser line-width limited resolution with multi-channel photoluminescence detection. Such a scheme allows for considerable improvement of resolution over that of a common single-stage spectrometer. The method uses phonons to assist in the measurement of the photoluminescence of a single quantum dot after resonant excitation of its ground state transition. The phonon&#39;s energy difference allows one to separate and filter out the laser light exciting the quantum dot. An advantageous feature of this method is its straight forward integration into standard spectroscopy setups, which are accessible to most researchers.

The manuscript describes a method of phonon-assisted quasi-resonant fluorescence spectroscopy that incorporates both laser-limited resolution and photoluminescence (PL) spectroscopy. This method utilizes optical phonons to provide linewidth-limited resolution spectra of atom-like semiconductor structures in the energy domain. The method is also easily realized with a single spectrometer optical spectroscopy setup.

高解像度フォノンアシスト準共鳴蛍光分光

High resolution optical spectroscopy methods are demanding in terms of either technology, equipment, complexity, time or a combination of these. Here we ...

Non-equilibrium Microwave Plasma for Efficient High Temperature Chemistry

A flowing microwave plasma based methodology for converting electric energy into internal and/or translational modes of stable molecules with the purpose of efficiently driving non-equilibrium chemistry is discussed. The advantage of a flowing plasma reactor is that continuous chemical processes can be driven with the flexibility of startup times in the seconds timescale. The plasma approach is generically suitable for conversion/activation of stable molecules such as CO2, N2 and CH4. Here the reduction of CO2 to CO is used as a model system: the complementary diagnostics illustrate how a baseline thermodynamic equilibrium conversion can be exceeded by the intrinsic non-equilibrium from high vibrational excitation. Laser (Rayleigh) scattering is used to measure the reactor temperature and Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) to characterize in situ internal (vibrational) excitation as well as the effluent composition to monitor conversion and selectivity.

This article describes a flowing microwave reactor that is used to drive efficient non-equilibrium chemistry for the application of conversion/activation of stable molecules such as CO2, N2 and CH4. The goal of the procedure described here is to measure the in situ gas temperature and gas conversion.

効率的な高温化学反応のための非平衡マイクロ波プラズマ

A flowing microwave plasma based methodology for converting electric energy into internal and/or translational modes of stable molecules with the purpose ...

化学

High-speed Continuous-wave Stimulated Brillouin Scattering Spectrometer for Material Analysis

Recent years have witnessed a significant increase in the use of spontaneous Brillouin spectrometers for non-contact analysis of soft matter, such as aqueous solutions and biomaterials, with fast acquisition times. Here, we discuss the assembly and operation of a Brillouin spectrometer that uses stimulated Brillouin scattering (SBS) to measure stimulated Brillouin gain (SBG) spectra of water and lipid emulsion-based tissue-like samples in transmission mode with &lt;10 MHz spectral-resolution and &lt;35 MHz Brillouin-shift measurement precision at &lt;100 ms. The spectrometer consists of two nearly counter-propagating continuous-wave (CW) narrow-linewidth lasers at 780 nm whose frequency detuning is scanned through the material Brillouin shift. By using an ultra-narrowband hot rubidium-85 vapor notch filter and a phase-sensitive detector, the signal-to-noise-ratio of the SBG signal is significantly enhanced compared to that obtained with existing CW-SBS spectrometers. This improvement enables measurement of SBG spectra with up to 100-fold faster acquisition times, thereby facilitating high spectral-resolution and high-precision Brillouin analysis of soft materials at high speed.

We describe the construction of a rapid continuous-wave-stimulated-Brillouin-scattering (CW-SBS) spectrometer. The spectrometer employs single-frequency diode-lasers and an atomic vapor notch-filter to acquire transmission spectra of turbid/non-turbid samples with high spectral-resolution at speeds up to 100-fold faster than those of existing CW-SBS spectrometers. This improvement enables high-speed Brillouin material analysis.

材料の分析のための高速連続誘導ブリルアン散乱分光器

Recent years have witnessed a significant increase in the use of spontaneous Brillouin spectrometers for non-contact analysis of soft matter, such as ...

Observation and Analysis of Blinking Surface-enhanced Raman Scattering

From a single molecule at a silver nanoaggregate junction, blinking surface-enhanced Raman scattering (SERS) is observed. Here, a protocol is presented on how to prepare the SERS-active silver nanoaggregate, record a video of certain blinking spots in the microscopic image, and analyze the blinking statistics. In this analysis, a power law reproduces the probability distributions for bright events relative to their duration. The probability distributions for dark events are fitted by a power law with an exponential function. The parameters of the power law represent molecular behavior in both bright and dark states. The random walk model and the speed of the molecule across the entire silver surface can be estimated. It is difficult to estimate even when using averages, autocorrelation functions, and super-resolution SERS imaging. In the future, power law analyses should be combined with spectral imaging, because the origins of blinking cannot be confirmed by this analysis method alone.

This protocol describes the analysis of blinking surface-enhanced Raman scattering due to the random walk of a single molecule on a silver surface using power laws.

点滅表面増強ラマン散乱の観測と解析

From a single molecule at a silver nanoaggregate junction, blinking surface-enhanced Raman scattering (SERS) is observed. Here, a protocol is presented on ...

Quantitative Analysis of Vacuum Induction Melting by Laser-induced Breakdown Spectroscopy

Vacuum induction melting is a popular method for refining high purity metal and alloys. Traditionally, standard process control in metallurgy involves several steps, include drawing samples, cooling, cutting, transport to the laboratory, and analysis. The whole analysis process requires more than 30 minutes, which hinders on-line process control. Laser-induced breakdown spectroscopy is an excellent on-line analysis method that can satisfy the requirements of vacuum induction melting because it is fast and noncontact and does not require sample preparation. The experimental facility uses a lamp-pumped Q-switched laser to ablate melted liquid steel with an output energy of 80 mJ, a frequency of 5 Hz, a FWHM pulse width of 20 ns, and a working wavelength of 1,064 nm. A multi-channel linear charge coupled device (CCD) spectrometer is used to measure the emission spectrum in real time, with a spectral range from 190 to 600 nm and a resolution of 0.06 nm at a wavelength of 200 nm. The protocol includes several steps: standard alloy sample preparation and an ingredient test, smelting of standard samples and determination of the laser breakdown spectrum, and construction of the elements concentration quantitative analysis curve of each element. To realize the concentration analysis of unknown samples, the spectrum of a sample also needs to be measured and disposed with the same process. The composition of all main elements in the melted alloy can be quantitatively analyzed with an internal standard method. The calibration curve shows that the limit of detection of most metal elements ranges from 20-250 ppm. The concentration of elements, such as Ti, Mo, Nb, V, and Cu, can be lower than 100 ppm, and the concentrations of Cr, Al, Co, Fe, Mn, C, and Si range from 100-200 ppm. The R2 of some calibration curves can exceed 0.94.

During vacuum induction melting, laser-induced breakdown spectroscopy is used to perform real-time quantitative analysis of the main-ingredient elements of a molten alloy.

レーザー誘起分解分光法による真空誘導融解の定量分析

Vacuum induction melting is a popular method for refining high purity metal and alloys. Traditionally, standard process control in metallurgy involves ...

Optimizing Brillouin Optical Time-Domain Analyzers Based on Gain Spectrum Engineering

Demonstrated is a unique method for sensing performance enhancement in Brillouin optical time-domain analyzers (BOTDA). A Brillouin gain spectrum (BGS) is superimposed with two symmetric Brillouin loss spectra (BLS). This leads to a complex engineered spectrum shape that is more resistant to the sensing system noise. Instead of only one pump and probe interaction as in the conventional BOTDA setup, three optical probe waves are exploited, with one probe located in the BGS and the other two symmetrically in the BLS. Due to the resistance and insensitivity of the engineered spectrum shape to the noise, the sensing performance is enhanced by 60% and the measurand resolution is doubled.

A protocol for Brillouin optical time-domain analyzers based on gain spectrum engineering is presented. Enhancements in the sensing performance, including sensing range and measurand resolution are achieved and the excess Brillouin intensity noise is studied. The protocol introduces a new way to enhance distributed Brillouin sensing performance.

Demonstrated is a unique method for sensing performance enhancement in Brillouin optical time-domain analyzers (BOTDA). A Brillouin gain spectrum (BGS) is ...

Preparation of Extracellular Matrix Protein Fibers for Brillouin Spectroscopy

Brillouin spectroscopy is an emerging technique in the biomedical field. It probes the mechanical properties of a sample through the interaction of visible light with thermally induced acoustic waves or phonons propagating at a speed of a few km/sec. Information on the elasticity and structure of the material is obtained in a nondestructive contactless manner, hence opening the way to in vivo applications and potential diagnosis of pathology. This work describes the application of Brillouin spectroscopy to the study of biomechanics in elastin and trypsin-digested type I collagen fibers of the extracellular matrix. Fibrous proteins of the extracellular matrix are the building blocks of biological tissues and investigating their mechanical and physical behavior is key to establishing structure-function relationships in normal tissues and the changes which occur in disease. The procedures of sample preparation followed by measurement of Brillouin spectra using a reflective substrate are presented together with details of the optical system and methods of spectral data analysis.

We present a protocol for the application of Brillouin light scattering spectroscopy to elastin and trypsin-purified type I collagen fibers of the extracellular matrix to extract their full elastic properties.

ブリルアン分光法のための細胞外マトリックスのタンパク質繊維の調製

Brillouin spectroscopy is an emerging technique in the biomedical field. It probes the mechanical properties of a sample through the interaction of ...