超快激光器为生物成像领域提供新的可能

多光子生物成像解决方案 - 自1663年，罗伯特.胡克在实验室中观测到了细胞壁，并命名为【cellua】开始，人类微观生物世界的大门就此打开。自那之后经历了3个多世纪，从生物切片显微观测为开端，人类对于微观生物的研究从未停止。 上世纪90年末开始，随着飞秒激光技术的提出，到如今的走向成熟，更加尖端且成熟的生物观测仪器继续为人类生物微观世界的研究贡献出自己的力量，其中能够探测活体神经元的，便是我们接下来的主角——【双光子荧光显微镜】 01.什么是双光子荧光显微镜 双光子激发荧光这个理论是1931年由玛丽亚·格佩特-梅耶在她的博士论文中阐述了原子的双光子吸收的可能性，但是将她的理论研究转化成实验室的可观测现象进行证实时，已经是1960年激光诞生之后的事情了。   在双光子显微镜出现之前，主流的观测应用是共聚焦显微镜，它的主要原理是采用点光源照射标本，在焦平面上形成一个轮廓分明的小的光点，该点被照射后发出的荧光被物镜收集，并沿原照射光路反射到由双向色镜构成的分光器。分光器将荧光直接反射至探测器。属于通过聚焦光来进行单光子荧光。优点是观测速度快，缺点是观察深度浅、清晰度差。   而双光子显微镜，是通过瞬间对荧光蛋白射入高密度光子，荧光分子可以同时吸收 2 个光子，并产生类似倍频效应的特性，实现在观测深度和呈像清晰度上质的突破。   共聚焦显微镜与双光子显微镜的观测深度对比   02.与激光的有机结合 双光子荧光显微镜是共聚焦显微镜与飞秒激光结合的产物。它利用飞秒激光器照射，在样本的表面或内部聚焦，发挥飞秒脉冲激光器由于脉宽窄、峰值功率高的特性, 使荧光蛋白发生双光子激发，并发生荧光信号。   当然，不同物质的双光子激发光谱也不同，这直接影响了荧光蛋白对不同波长激发光的吸收效率。类比地，如果一种荧光蛋白对于一种飞秒激光所在波段的双光子吸收效率过低，也会难以被激发，从而难以实现优质的双光子荧光成像效果。反之，激光器所在波长对其激发效率越高，则成像效果越好，主要体现在清晰度等方面，这样才能让研究人员更加直观的观测和还原样品的形貌。   不同荧光蛋白材料对光谱的吸收率也有所不同   双光子激发荧光显微成像对EGFP-2P荧光蛋白的效果对比A．920nm波段B．780nm波段 从上图中可以看出，对不同波段均有反应的荧光蛋白，在吸收率较高的波段成像效果更加优秀。03.实现途径为实现这种应用，中山铟尼镭斯科技有限公司于2012年开始，进行了飞秒激光光源的研发。经过了长达10年的积累，完成了该波段激光器的全部工程化工作。 Nd-930   产品说明： 该激光器基于光纤式种子源与放大级，能够稳定输出中心波长为930 nm ± 5 nm的飞秒 (fs) 级激光脉冲序列，平均功率 > 1 W，脉冲宽度 < 350 fs，重复频率40 - 80 MHz（可定制），M2 ≤ 1.3。特别适用于生物医学领域的双光子成像应用。  

激光太赫兹技术的应用

什么是太赫兹 太赫兹波（简称太赫兹，THz）是指频率在0.1 THz到10 THz范围的电磁波，波长大概在0.03 mm至3 mm之间。介于红外和微波之间。 太赫兹间隙 检测领域应用——太赫兹光谱仪的工作原理： 将太赫兹光源对样本物体进行扫描，所有的材料会对特定的波长进行吸收，其余的会反射或者透射，就如同人眼会看到各种颜色一样，当太赫兹脉冲照射样本时，不同材料的样本对太赫兹波的吸收与反射不同，所以可以根据不同的吸收或者反射图谱区分无法用肉眼识别的同分异构体材料。每一个材料对不同波段光波的吸收反射率均有不同，形成特定的不同光谱图，这个光谱被称之为材料特有的【指纹谱】 太赫兹激发源 目前能够激发太赫兹波并完成光谱检测的有两种激发源——微波太赫兹和激光太赫兹 微波太赫兹激发源的优缺点： 优点：由于产生微波的为电子器件，能够在单一或者窄带情况下输出更大的功率，高信噪比的太赫兹源在对样本进行检测时可以更清晰的看到结果，不会被底噪干扰，在面对某些单一波长或者窄带波吸收率超过80%甚至90%的情况下，提高输出功率也可以得到信号反馈并实际观测到响应结果 缺点：由于微波能够输出的谱宽较窄，对于对象的可观测范围就比较小，只可以对单一材料进行识别反应，如果被检测样本对该波段无特异反映，当被检体在窄带检测波范围内吸收反射率差异趋近于零而其他波段会有较大差异时，通过微波激发的太赫兹检测图形会出现波型完全一致，无法通过图谱发现差异的结果。 激光太赫兹激发源的优缺点： 激光激发太赫兹光源能够输出一个比较宽的光谱范围，能够在更大范围内更准确的对被扫体的【指纹谱】进行识别，分辨率更高，更准确，泛用性更强，能够清晰的识别多种不同材料的【指纹谱】并可以进行横向对比。 缺点也很明显，由于需要兼顾多波段同时输出，激光太赫兹激发源并不能够达到微波最大等级的输出功率，这导致在检测过程中，激光太赫兹波在对某一种材料对特定波长吸收率较高的情况下，回馈的光信号可能会被淹没在底噪当中难以被识别。 P.s：激光激发太赫兹波段与微波波段并不是一个频段，在应用领域中也各有不同，激光激发的太赫兹波无法完全实现对微波电子激发太赫兹波的替换。 实际使用激光太赫兹的实验记录： 根据中国科学技术大学国家同步辐射实验室于2020年4月发布的【基于太赫兹时域光谱技术的黄酮类化合物研究】文章中提到的太赫兹光谱仪相关实验： 上面8张图谱是8种常见的黄酮类化合物；黄芩素，槲皮素，柚皮素，大豆素，黄芩苷，葛根素，染料木素和天麻素。样品纯度均大于99%,并购买于同一批次。实验样品制备采用粉末压片法，浓度为66.7%，厚度为1mm的薄片。 从图中可以看出,虽然这些黄酮类物质具有相似的分子结构，但每种物质在太赫兹波段都有明显不同的特征吸收峰，体现了太赫兹对生物分子的指纹谱特性。因此，可以通过太赫兹吸收谱对黄酮类物质进行种类鉴别。定性鉴别     铟尼镭斯的太赫兹激发源 针对于检测物品的【指纹普】这一应用，铟尼镭斯基于Er-100Hi激光器，结合异步锁定系统，配合太赫兹天线，组成了实验室中的激光器太赫兹检测系统。 光源主体FDEr-100 异步锁定拍频部分Er -100Hi FDEr-100技术指标： 序号 参数 单位 技术指标 1 中心波长 nm 1560/780±20 2 重复频率 MHz 100±0.1 3 重复频率可调范围 -- PZT精准100MHz附近调试手动100MHz附近调试 4 脉冲宽度780nm fs ≤100fs@780nm≤90fs@1560nm 5 输出功率 mW ≥100@780≥400@1560 6 输出方式 —— 空间光 Er -100Hi技术指标 序号 参数 单位 技术指标 1 中心波长 nm 1560±20 2 重复频率 MHz 100±0.1 3 重复频率可调范围 -- PZT精准100MHz附近调试手动100MHz附近调试 4 脉冲宽度780nm fs ≤100 5 输出功率 mW ≥200 6 输出方式 —— 空间光 / 光纤耦合 性能安装指标： 序号 项目 单位 技术指标 1 工作温度 °C 22±4 2 工作湿度 % ≤55 3 电气连接 AC V 220   最大功率 W     冷却方式 —— 风冷 目前，我司已经与首都师范大学张村林教授团队合作开发，搭建太赫兹光谱仪检测系统。随着工程化的一步步深入，我们相信在不久的将来，该系统会在药品，食品成分检测中发挥重要作用。

超短脉冲激光技术的历史与现状

在激光中,超短脉冲光的产生之所以重要是因为可以通过控制激光的相干光波产生脉冲光,其时间宽度超出电子学所控制的范畴。从广义上讲,超短脉冲光是指小于1ns的脉冲光。