Brillouin Scattering. Brillouin microscopy. / Scattering Brillouin. Microscopia Brillouin.

Brillouin Scattering. Brillouin microscopy. The process of the ENEA RM2012A000637 patent is very useful in this application. / Scattering Brillouin. Microscopia Brillouin. ll procedimento del brevetto ENEA RM2012A000637 è molto utile in questa applicazione.

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Scattering Brillouin

Brillouin scattering is an effect caused by the  nonlinearity of a medium, specifically by that part of the nonlinearity which is related to acoustic phonons. An incident photon can be converted into a scattered photon of slightly lower energy, usually propagating in the backward direction, and a phonon. The coupling of optical fields and acoustic waves occurs via electrostriction. The effect can occur spontaneously even at low optical powers, then reflecting the thermally generated phonon field. For higher optical powers, there can be a stimulated effect, where the optical fields substantially contribute to the phonon population. Above a certain threshold power of a light beam in a medium, stimulated Brillouin scattering can reflect most of the power of an incident beam. This process involves a strong nonlinear optical gain for the back-reflected wave: an originally weak counterpropagating wave at the suitable optical frequency can be strongly amplified. Here, the two counter-propagating waves generate a traveling refractive index grating; the higher the reflected power, the stronger the index grating and the higher the effective reflectance.

The frequency of the reflected beam is slightly lower than that of the incident beam; the frequency difference νB corresponds to the frequency of emitted phonons. This so-called Brillouin frequency shift is set by a phase-matching requirement. For pure backward Brillouin scattering, the Brillouin shift can be calculated from the refractive index n, the acoustic velocity va, and the vacuum wavelength λ:

(For Brillouin scattering in fibers, the effective refractive index must be used.)

In optical fibers, Brillouin scattering occurs essentially only in backward direction. However, rather weak forward Brillouin scattering is also possible due to effects of the acoustic waveguide.

The Brillouin frequency shift depends on the material composition and to some extent the temperature and pressure of the medium. Such dependencies are exploited for fiber-optic sensors.

Another important application of stimulated Brillouin scattering is optical phase conjugation. There are for example phase-conjugate mirrors for high-power Q-switched lasers which make it possible that the thermal distortions occurring in forward and backward direction in the laser crystal compensate each other.

Stimulated Brillouin Scattering in Optical Fibers

Stimulated Brillouin scattering (SBS) is frequently encountered when narrow-band optical signals (e.g. from a single-frequency laser) are amplified in a fiber amplifier, or just propagated through a passive fiber. While the material nonlinearity of e.g. silica is actually not very high, the typically small effective mode area and long propagation length strongly favor nonlinear effects.

It shows what happens when a monochromatic light wave is injected into a 10 m long fiber. The counterpropagating Brillouin-shifted wave starts from quantum fluctuations with a very low optical power, but grows rapidly. Still, it stays far smaller than the input power of 1 W.

For a somewhat increased pump power of 1.8 W, the Brillouin gain (as measured in decibels) is nearly doubled, and the Brillouin wave becomes far stronger.

For a further increased pump power, the power of the Brillouin wave would become comparable to the pump power. In that case, substantial pump depletion occurs. For high SBS gain, that does not lead to a stable situation, but to chaotic fluctuations of the powers.

If the fiber is many kilometers long, milliwatt powers can be sufficient to cause substantial Brillouin scattering. However, one then has to take into account propagation losses, which are substantial of such fiber lengths. The affect both the pump wave and the Brillouin wave.

For silica fibers, the Brillouin frequency shift is of the order of 10–20 GHz, and the Brillouin gain has an intrinsic bandwidth of typically 50–100 MHz, which is determined by the strong acoustic absorption (short phonon lifetime of the order of 10 ns). However, the Brillouin gain spectrum may be strongly “smeared out” by various effects, such as transverse variations of the acoustic phase velocity or longitudinal temperature variations [11, 13]. Accordingly, the peak gain may be strongly reduced, leading to a substantially higher SBS threshold.

The Brillouin threshold of optical fibers for narrow-band continuous-wave light typically corresponds to a Brillouin gain of the order of 90 dB. (With additional laser gain in an active fiber, the threshold can be lower.) For trains of ultrashort pulses, the SBS threshold is determined not by a peak power, but rather by a power spectral density, as explained in a Spotlight article.

SBS introduces the most stringent power limit for the amplification and the passive propagation of narrow-band optical signals in fibers. In order to raise the Brillouin threshold, it is possible to increase the bandwidth of the light beyond the Brillouin gain bandwidth, reduce the fiber length, concatenate fibers with slightly different Brillouin shift, or (in high-power active fiber devices) exploit the longitudinally varying temperature . There are also attempts to reduce the overlap of guided optical and acoustic waves, or to introduce significant propagation losses for the acoustic wave. To some extent, SBS problems can be reduced via basic amplifier design modifications, concerning e.g. the doping concentration, effective mode area and pump propagation direction.

On the other hand, the Brillouin gain can be used for operating a Brillouin fiber laser . Such devices are often made as fiber ring lasers. Due to low resonator loss, they can have a relatively low pump threshold and a very small linewidth.

The temperature dependence of the Brillouin shift can be used for temperature and pressure sensing.

Brillouin-effect microscopy

Brillouin effect microscopy is an innovative optical technique developed for the biomechanical characterization of tissues.

Thanks to this technique the properties can be obtained

Non-invasive and non-contact viscoelastic materials, leaving the properties of the material under examination unchanged.

The purpose of my research activity is design

And development of a device capable of mapping the elastic properties of the cornea using Brillouin microscopy.

STATE OF ART

The phenomenon behind this technique is inelastic Brillouin scattering.

The scattered light is characterized by a frequency shift that is directly connected with the elastic modulus of the material.

The spectral components of scattering radiation

Brillouin are extremely close in frequency to that of elastically scattered light.

In fact the Brillouin frequency shift is in the order of GHz (0.1 - 0.5 cm)

To perform this type measurement, a spectrometer called VIPA (virtually imaged phased array) is used.

This type of spectrometer allows obtaining a high spectral resolution (finesse ~ 60) and a high transmission efficiency (up to at 80%) and a reduction in acquisition times by analyzing the various spectral components in a single acquisition.

The use of this spectrometer combined with a confocal microscope

It allows mapping of the elastic properties of the material.

This new imaging technique was used for mapping the elastic properties on ex vivo samples.

At each point of the analyzed sample, a Brillouin shift corresponds which defines the elastic properties.

In particular, this imaging technique was applied in ophthalmology for the study of corneal tissue rigidity.

The spatial variation of the elastic properties of the cornea can cause a deformation of the cornea and, consequently, the onset of pathologies. It is therefore important to create a map - hardening of the elastic properties of the cornea, so as to be able to monitor the health of the cornea itself.

ITALIANO

Scattering Brillouin

Lo scattering del brillouin è un effetto causato dalla non linearità di un mezzo, in particolare da quella parte della non linearità che è legata ai fononi acustici. Un fotone incidente può essere convertito in un fotone sparso di energia leggermente inferiore, di solito propagando nella direzione all'indietro, e un fonone. L'accoppiamento di campi ottici e onde acustiche avviene tramite elettrostrizione. L'effetto può verificarsi spontaneamente anche a basse potenze ottiche, quindi riflette il campo del fonone generato termicamente. Per potenze ottiche più elevate, può esserci un effetto stimolato, in cui i campi ottici contribuiscono sostanzialmente alla popolazione dei fononi. Al di sopra di una certa soglia di potenza di un raggio di luce in un mezzo, lo scattering Brillouin stimolato può riflettere la maggior parte della potenza di un raggio incidente. Questo processo comporta un forte guadagno ottico non lineare per l'onda riflessa dal retro: un'onda contropropagante originariamente debole alla frequenza ottica adatta può essere fortemente amplificata. Qui, le due onde controrivanti generano un reticolo di indice di rifrazione mobile; maggiore è la potenza riflessa, più forte è il reticolo di indice e maggiore è la riflettanza effettiva.

La frequenza del raggio riflesso è leggermente inferiore a quella del raggio incidente; la differenza di frequenza νB corrisponde alla frequenza dei fononi emessi. Questo cosiddetto cambio di frequenza Brillouin è impostato da un requisito di corrispondenza di fase. Per lo scattering Brillouin puro all'indietro, lo shift Brillouin può essere calcolato dall'indice di rifrazione n, dalla velocità acustica va e dalla lunghezza d'onda del vuoto λ:

Spostamento di frequenza brillouin

(Per la diffusione di Brillouin nelle fibre, deve essere usato l'indice di rifrazione efficace).

Nelle fibre ottiche, la diffusione del Brillouin avviene essenzialmente solo nella direzione indietro. Tuttavia, lo scattering Brillouin piuttosto debole in avanti è possibile anche a causa degli effetti della guida d'onda acustica.

Lo spostamento di frequenza del Brillouin dipende dalla composizione del materiale e in una certa misura dalla temperatura e dalla pressione del mezzo. Tali dipendenze sono sfruttate per sensori a fibra ottica.

Un'altra importante applicazione dello scattering Brillouin stimolato è la coniugazione della fase ottica. Vi sono ad esempio specchi a fase coniugato per laser Q-switched ad alta potenza che rendono possibile che le distorsioni termiche che si verificano nella direzione in avanti e indietro nel cristallo laser si compensino a vicenda.

Scattering stimolato di Brillouin in fibre ottiche

Diffusione Brillouin stimolata (SBS) si incontra frequentemente quando segnali ottici a banda stretta (ad esempio da un laser a singola frequenza) sono amplificati in un amplificatore in fibra, o semplicemente propagati attraverso una fibra passiva. Mentre la non linearità del materiale di ad es. la silice in realtà non è molto alta, l'area in modalità effettiva tipicamente piccola e la lunghezza di propagazione lunga favoriscono fortemente gli effetti non lineari.

Mostra ciò che accade quando un'onda luminosa monocromatica viene iniettata in una fibra lunga 10 m. L'onda controproducente Brillouin-shifted inizia da fluttuazioni quantistiche con un potere ottico molto basso, ma cresce rapidamente. Tuttavia, rimane molto più piccolo della potenza in ingresso di 1 W.

Per una potenza della pompa leggermente aumentata di 1,8 W, il guadagno Brillouin (misurato in decibel) è quasi raddoppiato e l'onda Brillouin diventa molto più forte.

Per un'ulteriore potenza della pompa aumentata, la potenza dell'onda Brillouin diventerebbe paragonabile alla potenza della pompa. In tal caso, si verifica un sostanziale esaurimento della pompa. Per un alto guadagno di SBS, ciò non porta a una situazione stabile, ma a fluttuazioni caotiche dei poteri.

Se la fibra è lunga molti chilometri, i poteri di milliwatt possono essere sufficienti a causare una notevole dispersione di Brillouin. Tuttavia, si deve quindi tener conto delle perdite di propagazione, che sono sostanziali di tali lunghezze di fibra. Influenzano sia l'onda della pompa che l'onda di Brillouin.

Per le fibre di silice, lo spostamento di frequenza del Brillouin è dell'ordine di 10-20 GHz e il guadagno Brillouin ha un'ampiezza di banda intrinseca tipica di 50-100 MHz, determinata dal forte assorbimento acustico (breve durata del fonone dell'ordine di 10 ns). Tuttavia, lo spettro di guadagno del Brillouin può essere fortemente "spalmato" da vari effetti, come variazioni trasversali della velocità di fase acustica  o variazioni di temperatura longitudinale. Di conseguenza, il picco di guadagno può essere fortemente ridotto, portando a una soglia SBS sostanzialmente più alta.

La soglia Brillouin delle fibre ottiche per luce ad onda continua a banda stretta corrisponde in genere a un guadagno Brillouin dell'ordine di 90 dB. (Con guadagno laser aggiuntivo in una fibra attiva, la soglia può essere inferiore.) Per i treni di impulsi ultracorti, la soglia SBS è determinata non da una potenza di picco, ma da una densità spettrale di potenza, come spiegato in un articolo Spotlight.

SBS introduce il limite di potenza più severo per l'amplificazione e la propagazione passiva dei segnali ottici a banda stretta nelle fibre. Al fine di aumentare la soglia di Brillouin, è possibile aumentare la larghezza di banda della luce oltre la larghezza di banda del guadagno Brillouin, ridurre la lunghezza della fibra, concatenare le fibre con un cambio Brillouin leggermente diverso o (nei dispositivi a fibra attiva ad alta potenza) sfruttare longitudinalmente temperatura variabile. Ci sono anche tentativi di ridurre la sovrapposizione di onde ottiche e acustiche guidate o di introdurre significative perdite di propagazione per l'onda acustica. In una certa misura, i problemi di SBS possono essere ridotti tramite modifiche di base dell'amplificatore, ad esempio per es. la concentrazione di drogante, l'area del modo efficace e la direzione di propagazione della pompa.

D'altra parte, il guadagno Brillouin può essere utilizzato per il funzionamento di un laser a fibra Brillouin. Tali dispositivi sono spesso realizzati come laser ad anello di fibre. A causa della bassa perdita del risonatore, possono avere una soglia della pompa relativamente bassa e una larghezza di riga molto ridotta.

La dipendenza dalla temperatura del cambio Brillouin può essere utilizzata per il rilevamento della temperatura e della pressione.

La microscopia ad effetto Brillouin

La microscopia ad effetto Brillouin è una innovativa tecnica ottica sviluppata per la caratterizzazione  biomeccanica  di  tessuti.

Grazie  a  questa  tecnica  si  possono ricavare  le  proprietà

Viscoelastiche di materiali in modo non invasivo e senza contatto, lasciando inalterate le proprietà del materiale in esame.

Scopo della mia attività di ricerca è la progettazione

E sviluppo di un dispositivo in grado di effettuare la mappatura delle proprietà elastiche della cornea utilizzando la microscopia Brillouin.

STATO DELL’ARTE

Il fenomeno alla base di questa tecnica è lo scattering anelastico Brillouin.

La luce scatterata è caratterizzata da uno shift in frequenza che è direttamente collegato con il modulo elastico del materiale.

Le componenti spettrali della radiazione di scattering

Brillouin sono estremamente  vicine  in  frequenza  a  quella  della  luce  scatterata  elasticamente.

Infatti lo shift in frequenza Brillouin è dell’ordine dei GHz (0.1 - 0.5 cm)

Per effettuare questo tipo

di misura, si utilizza uno spettrometro denominato VIPA (virtually imaged phased array).

Questo tipo di spettrometro consente di ottenere un’alta risoluzione spettrale (finesse ~ 60) e un’elevata efficienza di trasmissione (fino

all’80%) e unariduzione dei tempi di acquisizione, effettuando l’analisi delle varie componenti spettrali in un’unica acquisizione.

L’utilizzo di questo spettrometro unito ad un microscopio confocale

Consente di ottenere una mappatura delle proprietà elastiche del materiale.

Questa nuova tecnica di imaging è stata  usata per la mappatura delle proprietà elastiche su campioni ex vivo.

Ad ogni punto del campione analizzato, corrisponde uno shift Brillouin

che  ne  definisce  le  proprietà  elastiche.

In  particolare,  questa tecnica di  imaging è  stata applicata

in  oftalmologia  per  lo  studio  della  rigidità  del  tessuto  corneale.

La variazione spaziale delle proprietà elastiche della cornea può provocare una deformazione della cornea e, conseguentemente, l’insorgere di patologie. È quindi importante creare una mappa-

tura  delle  proprietà  elastiche  della  cornea,  in  modo  da  poter  monitorare la  salute  della cornea stessa.

Da:

https://www.moleculardevices.com/products/cellular-imaging-systems/high-content-imaging/imagexpress-micro-confocal?utm_medium=cpc&utm_source=AdWords&utm_campaign=IMG-Product_Nvish&utm_source=AdWords&utm_medium=cpc&utm_campaign={IMG-Product_Nvish}&utm_adgroup={adgroup}&utm_location=1008736&utm_keyword=microscope%20confocal&utm_device=c&utm_devicemodel=&utm_placement=&utm_adpostion=1t1&utm_target=&utm_network=g&utm_creative=339944344254&gclid=CjwKCAjw5dnmBRACEiwAmMYGOeDcQDgFSq7bVjOWv0PE8DxjvaVzx9hhriRAeRsIoxLJEhSxYzbpvRoC8X4QAvD_BwE

https://www.rp-photonics.com/brillouin_scattering.html

https://studylibit.com/doc/5295674/microscopio-brillouin-per-l-oftalmologia