Abstract

The ability to quantify and visualize submicrometer-scale oscillatory motions of objects in three dimensions has a wide range of application in acoustics, materials sciences, and medical imaging. Here we demonstrate that volumetric snapshots of rapid periodic motion can be captured using optical coherence tomography (OCT) with subnanometer-scale motion sensitivity and microsecond-scale temporal resolution. This technique, termed OCT vibrography, was applied to generate time-resolved volumetric vibrographs of a miniature drum driven acoustically at several kilohertz.

© 2012 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. D. Kleckner and D. Bouwmeester, Nature 444, 75 (2006).
    [CrossRef]
  2. T. J. Kippenberg and K. J. Vahala, Opt. Express 15, 17172 (2007).
    [CrossRef]
  3. T. P. Burg, M. Godin, S. M. Knudsen, W. Shen, G. Carlson, J. S. Foster, K. Babcock, and S. R. Manalis, Nature 446, 1066 (2007).
    [CrossRef]
  4. M. H. Xu and L. H. V. Wang, Rev. Sci. Instrum. 77, 041101 (2006).
    [CrossRef]
  5. J. T. Cheng, A. A. Aarnisalo, E. Harrington, M. D. Hernandez-Montes, C. Furlong, S. N. Merchant, and J. J. Rosowski, Hearing Res. 263, 66 (2010).
    [CrossRef]
  6. X. Liang, M. Orescanin, K. S. Toohey, M. F. Insana, and S. A. Boppart, Opt. Lett. 34, 2894 (2009).
    [CrossRef]
  7. B. F. Kennedy, X. Liang, S. G. Adie, D. K. Gerstmann, B. C. Quirk, S. A. Boppart, and D. D. Sampson, Opt. Express 19, 6623 (2011).
    [CrossRef]
  8. R. K. Chhetri, K. A. Kozek, A. C. Johnston-Peck, J. B. Tracy, and A. L. Oldenburg, Phys. Rev. E 83, 040903 (2011).
    [CrossRef]
  9. R. K. Wang and A. L. Nuttall, J. Biomed. Opt. 15, 056005 (2010).
    [CrossRef]
  10. M. A. Choma, A. K. Ellerbee, C. H. Yang, T. L. Creazzo, and J. A. Izatt, Opt. Lett. 30, 1162 (2005).
    [CrossRef]
  11. C. Joo, T. Akkin, B. Cense, B. H. Park, and J. E. de Boer, Opt. Lett. 30, 2131 (2005).
    [CrossRef]
  12. S. H. Yun, G. J. Tearney, J. F. de Boer, N. Iftimia, and B. E. Bouma, Opt. Express 11, 2953 (2003).
    [CrossRef]
  13. E. W. Chang, J. B. Kobler, and S. H. Yun, Sci. Rep. 1, 48 (2011).
    [CrossRef]
  14. B. J. Vakoc, S. H. Yun, J. F. de Boer, G. J. Tearney, and B. E. Bouma, Opt. Express 13, 5483 (2005).
    [CrossRef]
  15. R. S. Christian, R. E. Davis, A. Tubis, C. A. Anderson, R. I. Mills, and T. D. Rossing, J. Acoust. Soc. Am. 76, 1336 (1984).
    [CrossRef]
  16. F. Y. Chen, D. J. Zha, A. Fridberger, J. F. Zheng, N. Choudhury, S. L. Jacques, R. K. Wang, X. R. Shi, and A. L. Nuttall, Nat. Neurosci. 14, 770 (2011).
    [CrossRef]

2011 (4)

B. F. Kennedy, X. Liang, S. G. Adie, D. K. Gerstmann, B. C. Quirk, S. A. Boppart, and D. D. Sampson, Opt. Express 19, 6623 (2011).
[CrossRef]

R. K. Chhetri, K. A. Kozek, A. C. Johnston-Peck, J. B. Tracy, and A. L. Oldenburg, Phys. Rev. E 83, 040903 (2011).
[CrossRef]

E. W. Chang, J. B. Kobler, and S. H. Yun, Sci. Rep. 1, 48 (2011).
[CrossRef]

F. Y. Chen, D. J. Zha, A. Fridberger, J. F. Zheng, N. Choudhury, S. L. Jacques, R. K. Wang, X. R. Shi, and A. L. Nuttall, Nat. Neurosci. 14, 770 (2011).
[CrossRef]

2010 (2)

R. K. Wang and A. L. Nuttall, J. Biomed. Opt. 15, 056005 (2010).
[CrossRef]

J. T. Cheng, A. A. Aarnisalo, E. Harrington, M. D. Hernandez-Montes, C. Furlong, S. N. Merchant, and J. J. Rosowski, Hearing Res. 263, 66 (2010).
[CrossRef]

2009 (1)

2007 (2)

T. J. Kippenberg and K. J. Vahala, Opt. Express 15, 17172 (2007).
[CrossRef]

T. P. Burg, M. Godin, S. M. Knudsen, W. Shen, G. Carlson, J. S. Foster, K. Babcock, and S. R. Manalis, Nature 446, 1066 (2007).
[CrossRef]

2006 (2)

M. H. Xu and L. H. V. Wang, Rev. Sci. Instrum. 77, 041101 (2006).
[CrossRef]

D. Kleckner and D. Bouwmeester, Nature 444, 75 (2006).
[CrossRef]

2005 (3)

2003 (1)

1984 (1)

R. S. Christian, R. E. Davis, A. Tubis, C. A. Anderson, R. I. Mills, and T. D. Rossing, J. Acoust. Soc. Am. 76, 1336 (1984).
[CrossRef]

Aarnisalo, A. A.

J. T. Cheng, A. A. Aarnisalo, E. Harrington, M. D. Hernandez-Montes, C. Furlong, S. N. Merchant, and J. J. Rosowski, Hearing Res. 263, 66 (2010).
[CrossRef]

Adie, S. G.

Akkin, T.

Anderson, C. A.

R. S. Christian, R. E. Davis, A. Tubis, C. A. Anderson, R. I. Mills, and T. D. Rossing, J. Acoust. Soc. Am. 76, 1336 (1984).
[CrossRef]

Babcock, K.

T. P. Burg, M. Godin, S. M. Knudsen, W. Shen, G. Carlson, J. S. Foster, K. Babcock, and S. R. Manalis, Nature 446, 1066 (2007).
[CrossRef]

Boppart, S. A.

Bouma, B. E.

Bouwmeester, D.

D. Kleckner and D. Bouwmeester, Nature 444, 75 (2006).
[CrossRef]

Burg, T. P.

T. P. Burg, M. Godin, S. M. Knudsen, W. Shen, G. Carlson, J. S. Foster, K. Babcock, and S. R. Manalis, Nature 446, 1066 (2007).
[CrossRef]

Carlson, G.

T. P. Burg, M. Godin, S. M. Knudsen, W. Shen, G. Carlson, J. S. Foster, K. Babcock, and S. R. Manalis, Nature 446, 1066 (2007).
[CrossRef]

Cense, B.

Chang, E. W.

E. W. Chang, J. B. Kobler, and S. H. Yun, Sci. Rep. 1, 48 (2011).
[CrossRef]

Chen, F. Y.

F. Y. Chen, D. J. Zha, A. Fridberger, J. F. Zheng, N. Choudhury, S. L. Jacques, R. K. Wang, X. R. Shi, and A. L. Nuttall, Nat. Neurosci. 14, 770 (2011).
[CrossRef]

Cheng, J. T.

J. T. Cheng, A. A. Aarnisalo, E. Harrington, M. D. Hernandez-Montes, C. Furlong, S. N. Merchant, and J. J. Rosowski, Hearing Res. 263, 66 (2010).
[CrossRef]

Chhetri, R. K.

R. K. Chhetri, K. A. Kozek, A. C. Johnston-Peck, J. B. Tracy, and A. L. Oldenburg, Phys. Rev. E 83, 040903 (2011).
[CrossRef]

Choma, M. A.

Choudhury, N.

F. Y. Chen, D. J. Zha, A. Fridberger, J. F. Zheng, N. Choudhury, S. L. Jacques, R. K. Wang, X. R. Shi, and A. L. Nuttall, Nat. Neurosci. 14, 770 (2011).
[CrossRef]

Christian, R. S.

R. S. Christian, R. E. Davis, A. Tubis, C. A. Anderson, R. I. Mills, and T. D. Rossing, J. Acoust. Soc. Am. 76, 1336 (1984).
[CrossRef]

Creazzo, T. L.

Davis, R. E.

R. S. Christian, R. E. Davis, A. Tubis, C. A. Anderson, R. I. Mills, and T. D. Rossing, J. Acoust. Soc. Am. 76, 1336 (1984).
[CrossRef]

de Boer, J. E.

de Boer, J. F.

Ellerbee, A. K.

Foster, J. S.

T. P. Burg, M. Godin, S. M. Knudsen, W. Shen, G. Carlson, J. S. Foster, K. Babcock, and S. R. Manalis, Nature 446, 1066 (2007).
[CrossRef]

Fridberger, A.

F. Y. Chen, D. J. Zha, A. Fridberger, J. F. Zheng, N. Choudhury, S. L. Jacques, R. K. Wang, X. R. Shi, and A. L. Nuttall, Nat. Neurosci. 14, 770 (2011).
[CrossRef]

Furlong, C.

J. T. Cheng, A. A. Aarnisalo, E. Harrington, M. D. Hernandez-Montes, C. Furlong, S. N. Merchant, and J. J. Rosowski, Hearing Res. 263, 66 (2010).
[CrossRef]

Gerstmann, D. K.

Godin, M.

T. P. Burg, M. Godin, S. M. Knudsen, W. Shen, G. Carlson, J. S. Foster, K. Babcock, and S. R. Manalis, Nature 446, 1066 (2007).
[CrossRef]

Harrington, E.

J. T. Cheng, A. A. Aarnisalo, E. Harrington, M. D. Hernandez-Montes, C. Furlong, S. N. Merchant, and J. J. Rosowski, Hearing Res. 263, 66 (2010).
[CrossRef]

Hernandez-Montes, M. D.

J. T. Cheng, A. A. Aarnisalo, E. Harrington, M. D. Hernandez-Montes, C. Furlong, S. N. Merchant, and J. J. Rosowski, Hearing Res. 263, 66 (2010).
[CrossRef]

Iftimia, N.

Insana, M. F.

Izatt, J. A.

Jacques, S. L.

F. Y. Chen, D. J. Zha, A. Fridberger, J. F. Zheng, N. Choudhury, S. L. Jacques, R. K. Wang, X. R. Shi, and A. L. Nuttall, Nat. Neurosci. 14, 770 (2011).
[CrossRef]

Johnston-Peck, A. C.

R. K. Chhetri, K. A. Kozek, A. C. Johnston-Peck, J. B. Tracy, and A. L. Oldenburg, Phys. Rev. E 83, 040903 (2011).
[CrossRef]

Joo, C.

Kennedy, B. F.

Kippenberg, T. J.

Kleckner, D.

D. Kleckner and D. Bouwmeester, Nature 444, 75 (2006).
[CrossRef]

Knudsen, S. M.

T. P. Burg, M. Godin, S. M. Knudsen, W. Shen, G. Carlson, J. S. Foster, K. Babcock, and S. R. Manalis, Nature 446, 1066 (2007).
[CrossRef]

Kobler, J. B.

E. W. Chang, J. B. Kobler, and S. H. Yun, Sci. Rep. 1, 48 (2011).
[CrossRef]

Kozek, K. A.

R. K. Chhetri, K. A. Kozek, A. C. Johnston-Peck, J. B. Tracy, and A. L. Oldenburg, Phys. Rev. E 83, 040903 (2011).
[CrossRef]

Liang, X.

Manalis, S. R.

T. P. Burg, M. Godin, S. M. Knudsen, W. Shen, G. Carlson, J. S. Foster, K. Babcock, and S. R. Manalis, Nature 446, 1066 (2007).
[CrossRef]

Merchant, S. N.

J. T. Cheng, A. A. Aarnisalo, E. Harrington, M. D. Hernandez-Montes, C. Furlong, S. N. Merchant, and J. J. Rosowski, Hearing Res. 263, 66 (2010).
[CrossRef]

Mills, R. I.

R. S. Christian, R. E. Davis, A. Tubis, C. A. Anderson, R. I. Mills, and T. D. Rossing, J. Acoust. Soc. Am. 76, 1336 (1984).
[CrossRef]

Nuttall, A. L.

F. Y. Chen, D. J. Zha, A. Fridberger, J. F. Zheng, N. Choudhury, S. L. Jacques, R. K. Wang, X. R. Shi, and A. L. Nuttall, Nat. Neurosci. 14, 770 (2011).
[CrossRef]

R. K. Wang and A. L. Nuttall, J. Biomed. Opt. 15, 056005 (2010).
[CrossRef]

Oldenburg, A. L.

R. K. Chhetri, K. A. Kozek, A. C. Johnston-Peck, J. B. Tracy, and A. L. Oldenburg, Phys. Rev. E 83, 040903 (2011).
[CrossRef]

Orescanin, M.

Park, B. H.

Quirk, B. C.

Rosowski, J. J.

J. T. Cheng, A. A. Aarnisalo, E. Harrington, M. D. Hernandez-Montes, C. Furlong, S. N. Merchant, and J. J. Rosowski, Hearing Res. 263, 66 (2010).
[CrossRef]

Rossing, T. D.

R. S. Christian, R. E. Davis, A. Tubis, C. A. Anderson, R. I. Mills, and T. D. Rossing, J. Acoust. Soc. Am. 76, 1336 (1984).
[CrossRef]

Sampson, D. D.

Shen, W.

T. P. Burg, M. Godin, S. M. Knudsen, W. Shen, G. Carlson, J. S. Foster, K. Babcock, and S. R. Manalis, Nature 446, 1066 (2007).
[CrossRef]

Shi, X. R.

F. Y. Chen, D. J. Zha, A. Fridberger, J. F. Zheng, N. Choudhury, S. L. Jacques, R. K. Wang, X. R. Shi, and A. L. Nuttall, Nat. Neurosci. 14, 770 (2011).
[CrossRef]

Tearney, G. J.

Toohey, K. S.

Tracy, J. B.

R. K. Chhetri, K. A. Kozek, A. C. Johnston-Peck, J. B. Tracy, and A. L. Oldenburg, Phys. Rev. E 83, 040903 (2011).
[CrossRef]

Tubis, A.

R. S. Christian, R. E. Davis, A. Tubis, C. A. Anderson, R. I. Mills, and T. D. Rossing, J. Acoust. Soc. Am. 76, 1336 (1984).
[CrossRef]

Vahala, K. J.

Vakoc, B. J.

Wang, L. H. V.

M. H. Xu and L. H. V. Wang, Rev. Sci. Instrum. 77, 041101 (2006).
[CrossRef]

Wang, R. K.

F. Y. Chen, D. J. Zha, A. Fridberger, J. F. Zheng, N. Choudhury, S. L. Jacques, R. K. Wang, X. R. Shi, and A. L. Nuttall, Nat. Neurosci. 14, 770 (2011).
[CrossRef]

R. K. Wang and A. L. Nuttall, J. Biomed. Opt. 15, 056005 (2010).
[CrossRef]

Xu, M. H.

M. H. Xu and L. H. V. Wang, Rev. Sci. Instrum. 77, 041101 (2006).
[CrossRef]

Yang, C. H.

Yun, S. H.

Zha, D. J.

F. Y. Chen, D. J. Zha, A. Fridberger, J. F. Zheng, N. Choudhury, S. L. Jacques, R. K. Wang, X. R. Shi, and A. L. Nuttall, Nat. Neurosci. 14, 770 (2011).
[CrossRef]

Zheng, J. F.

F. Y. Chen, D. J. Zha, A. Fridberger, J. F. Zheng, N. Choudhury, S. L. Jacques, R. K. Wang, X. R. Shi, and A. L. Nuttall, Nat. Neurosci. 14, 770 (2011).
[CrossRef]

Hearing Res. (1)

J. T. Cheng, A. A. Aarnisalo, E. Harrington, M. D. Hernandez-Montes, C. Furlong, S. N. Merchant, and J. J. Rosowski, Hearing Res. 263, 66 (2010).
[CrossRef]

J. Acoust. Soc. Am. (1)

R. S. Christian, R. E. Davis, A. Tubis, C. A. Anderson, R. I. Mills, and T. D. Rossing, J. Acoust. Soc. Am. 76, 1336 (1984).
[CrossRef]

J. Biomed. Opt. (1)

R. K. Wang and A. L. Nuttall, J. Biomed. Opt. 15, 056005 (2010).
[CrossRef]

Nat. Neurosci. (1)

F. Y. Chen, D. J. Zha, A. Fridberger, J. F. Zheng, N. Choudhury, S. L. Jacques, R. K. Wang, X. R. Shi, and A. L. Nuttall, Nat. Neurosci. 14, 770 (2011).
[CrossRef]

Nature (2)

T. P. Burg, M. Godin, S. M. Knudsen, W. Shen, G. Carlson, J. S. Foster, K. Babcock, and S. R. Manalis, Nature 446, 1066 (2007).
[CrossRef]

D. Kleckner and D. Bouwmeester, Nature 444, 75 (2006).
[CrossRef]

Opt. Express (4)

Opt. Lett. (3)

Phys. Rev. E (1)

R. K. Chhetri, K. A. Kozek, A. C. Johnston-Peck, J. B. Tracy, and A. L. Oldenburg, Phys. Rev. E 83, 040903 (2011).
[CrossRef]

Rev. Sci. Instrum. (1)

M. H. Xu and L. H. V. Wang, Rev. Sci. Instrum. 77, 041101 (2006).
[CrossRef]

Sci. Rep. (1)

E. W. Chang, J. B. Kobler, and S. H. Yun, Sci. Rep. 1, 48 (2011).
[CrossRef]

Supplementary Material (2)

» Media 1: MPG (344 KB)     
» Media 2: MPG (670 KB)     

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (4)

Fig. 1.
Fig. 1.

(a) Schematic of a system. Sig, signal generator; B, galvanometer beam scanner. (b) Schematic of synchronized data acquisition. A number of A-lines, NA, are acquired during each cycle of oscillation, while the scanner (B) is parked at a spatial location for the duration of a user-controlled number of motion cycles (Sig). An arrangement of the data with respect to time generates vibrographs at each motion phase.

Fig. 2.
Fig. 2.

(a) Inset is the representative time trace of the measured phase angle. Fourier domain spectrum of the PZT vibration of 288 cycles. The peak points to the vibration frequency of 1.5 kHz. (b) Sensitivity measurement of OCT vibrography. Circles, experimental data for N=1, 10, 100, and 1000; error bars, s.d; lines, theoretical curves for SNR-limited sensitivity.

Fig. 3.
Fig. 3.

(a) Schematic of setup with a latex drum, (b) vibrography snapshot images (0 and π motion phases) of the vibrating drum at the fundamental frequency of 800 Hz (Media 1), and (c) a cutaway image showing the motion in a cross-section of the membrane.

Fig. 4.
Fig. 4.

(a) Snapshot vibrographs of the drumhead (0 and π motion phases) at 1.78 kHz. At this frequency, the second-order mode was predominantly produced (Media 2). Scale bar, 1 mm. (b) A 3D contour graph.

Metrics