Sensitive impulsive stimulated Brillouin spectroscopy by an adaptive noise-suppression Matrix Pencil

Abstract

Impulsive stimulated Brillouin spectroscopy (ISBS) plays a critical role in investigating mechanical properties thanks to its fast measurement rate. However, traditional Fourier transform-based data processing cannot decipher measured data sensitively because of its incompetence in dealing with low signal-to-noise ratio (SNR) signals caused by a short exposure time and weak signals in a multi-peak spectrum. Here, we propose an adaptive noise-suppression Matrix Pencil method for heterodyne ISBS as an alternative spectral analysis technique, speeding up the measurement regardless of the low SNR and enhancing the sensitivity of multi-component viscoelastic identification. The algorithm maintains accuracy of 0.005% for methanol sound speed even when the SNR drops 33 dB and the exposure time is reduced to 0.4 ms. Moreover, it proves to extract a weak component that accounts for 6% from a polymer mixture, which is inaccessible for the traditional method. With its outstanding ability to sensitively decipher weak signals without spectral a priori information and regardless of low SNRs or concentrations, this method offers a fresh perspective for ISBS on fast viscoelasticity measurements and multi-component identifications.

Non-contact and label-free biomechanical imaging: Stimulated Brillouin microscopy and beyond

“…The frequency of the acoustic wave (i.e., Brillouin shift) can be extracted by conducting Fourier analysis of the collected time-domain signal. For very weak signal, a new technique for spectral analysis named “adaptive noise-suppression Matrix Pencil” was recently reported to improve the detection sensitivity [ 63 ]. In addition, the wavelength of the acoustic phonon can be derived from the period of the optical grating based on the 4f system: where is the focal length of the lens SL1 and SL2, respectively.…”

Non-contact viscoelasticity measurements based on impulsive stimulated Brillouin spectroscopy

“…能 [2] 方面起着至关重要的作用。在过去的几十年里，新技术的发展带来了对生物 力学的新认识，例如原子力显微镜 [3] 、光镊法 [4] 、光学相干弹性成像 [5] 以及光声成 像 [6] 等，但仍缺乏可行的仪器来非接触地描述力学特性细节，在避免扰动和损伤 的同时又能够以高空间分辨率对非均质样本进行研究。布里渊光谱技术作为生物 医学传感和成像的新型工具，利用激光在微米级尺度上通过非弹性光散射来表征 材料的行进密度波动(声波) ，无需接触即可在微观尺度上测量材料和生物样品 的力学特征，也可与其他光谱技术如拉曼光谱、荧光光谱结合，实现多模态成像 和分析。几十年来，基于法布里-珀罗标准具的布里渊光谱技术一直用于材料表征 [7] 和遥感 [8] ，然而，标准具腔扫描速度慢且光通量低，导致单像素点的光谱采集 达分钟量级，因此在生物领域的发展长期受到阻碍。Scarcelli 和 Yun 于 2008 年 首次将虚拟成像相位阵列应用到布里渊光谱测量中，结合共聚焦显微镜实现了晶 状体的三维弹性显微成像 [9] ，之后成功运用在体内人眼测量中 [10] 。目前，该技术 已广泛应用于从单细胞 [11,12] 、多细胞 [13,14] 、组织器官 [15,16] 到整个生物体 [17] 的各 生物样品及材料中。然而，受自发产生机制的影响，此方法存在散射信号弱、弹 性散射背景强的问题，光谱积分时间较长；系统中色散元件的有限精度和入射光 线宽更是导致其光谱分辨力较低。虽然目前这种技术有望应用在越来越多的领域 中，但在散射光的产生和收集方面几乎达到了理论极限。为了打破这一瓶颈，需 要一种从根本原理上有所区别的方法来产生布里渊散射。 为了克服自发布里渊散射的上述问题，近十年来提出了利用非线性受激过 程进行布里渊光谱测量和显微成像的方法。声子在泵浦和探测光相互作用的过程 中被共振放大，非弹性散射效率相较自发过程更大，并在本质上不受弹性背景的 影响。Yakovlev 课题组于 2015 年首次将其应用到显微成像中 [18] ，之后 Remer 等 人优化了调制和锁相机制 [19,20] ，并于 2020 年实现了在生物样品中的应用 [21] 。然 而，由于泵浦光源与探测光源非相干，表征光谱分辨力的布里渊线宽受限于光源 线宽，难以进行准确的粘度测量，且光谱分辨率与空间分辨率相互限制；此外， 探测光频率扫描的过程增加了测量时间，且信号的产生和探测基于连续激光器， 并未充分利用非线性相互作用，导致采集速度仅得到了有限的提高。因此，采用 脉冲光源激发受激布里渊散射成为现阶段研究的热点方向。 基于脉冲受激布里渊散射 (Impulsive Stimulated Brillouin Scattering， ISBS) 的光谱测量方法使用一对超短脉冲光源来激发声子，并通过第三束连续光在时域 上探测声子 [22][23][24] 。由于两束脉冲泵浦光在频域表现为宽带，能够提供丰富的频率 差，因此无需扫频即可实现与多种模式声子的共振。这种时域测量方法的单副光 谱测量时间仅取决于脉冲光的重复频率，测量速度与其他两种方法相比更具有进 一步优化的潜力。此外，泵浦光激发的声场波长固定且严格同向，只有有限的声 学模式和光子作用，探测光与参考光又由同一光源产生且光路高度对称，所以避 免了布里渊线宽受泵浦光源和探测光源线宽的影响，因此在实现弹性测量的同时 也能够通过线宽反演出材料的粘性信息。为了进一步提高 ISBS 方法的测量速度， 本课题组提出了基于矩阵束算法的光谱分析方法，从而以更少的信号平均次数实 现目标精度的测量，减小光谱积分时间至亚毫秒量级，并实现多组分材料的测量 和分析 [25,26] 。在此基础上，通过建立信噪比模型并进行多参数优化，在保持亚毫 秒积分时间的同时减小样品光损伤的风险，并在优化空间分辨率后实现快速三维 布里渊显微成像 [27]…”