近日，來自中國和德國的科學家們發表了題為「High-contrast, fast chemical imaging by coherent Raman scattering using a self-synchronized two-colour fibre laser」的高水平論文。
相干拉曼散射（CRS）顯微鏡因其無化學特異性的無標記對比，高空間和光譜解析度以及高靈敏度而被認為是解決生物醫學問題的有力工具。該文章提出了一種新穎的大功率自同步雙色脈衝光纖雷射器。該雷射器系統首次實現了高對比度，快速的CRS成像，而無需通過平衡的檢測方案降低複雜的噪聲。同時，多種光學對比機制最大化了所收集的信息內容，以進行生物可視化和醫學診斷。該文章發表在《Light: Science & Applications》期刊上。
光學成像技術長期以來一直是解決生物醫學問題的工具。在這些技術中，相干拉曼散射(CRS)，它包括相干反斯託克斯拉曼散射(CARS)，受激拉曼散射(SRS)，和其他非線性光學過程，已經成功地應用於解決生物醫學問題，提供化學特異性，無標記的對比度，高光譜和空間解析度，和高靈敏度。特別是CRS顯微鏡，可以對生物分子樣本進行微創和連續的實時成像。
CRS成像應用長期以來一直受到具有環境敏感操作、佔用空間大且高成本的傳統固態雷射器的阻礙。標準固態雷射器，特別是鈦藍寶石雷射器和採用自由空間光學的同步泵浦光參量振蕩器，通常必須安裝在隔振光學表上，這為臨床應用製造了一個主要的技術障礙。超快光纖雷射器可以克服這些缺點，但由於以前的實現方式遭受了高強度噪聲，狹窄的調諧範圍和低功耗的困擾，導致圖像質量下降和成像速度慢，因此尚未完全用於CRS成像。最近出現的用於CRS成像的各種雙色脈衝光纖雷射器的研究，如參數波長轉換之類的過程的全光纖雷射器，孤子自頻移和超連續譜發光等，這些方法具有特定的局限性，包括高成本，低功率或高強度噪聲。到目前為止，仍然沒有完全基於光纖的相干雙色脈衝雷射源可提供足夠高的功率和低強度的噪聲。
該文章提出了一種利用交叉相位調製產生相干波長的新型高功率，低噪聲，自同步雙色脈衝光纖雷射器系統。藉助該系統，可以展示了高質量的CARS和SRS成像以及其他非線性成像模式，而無需進行平衡檢測，在保持較高掃描速度的同時保持較低的檢測設置的複雜性。該雷射器在強度穩定性提高了50 dB，定時抖動為24.3 fs，平均功率波動小於0.5％，在擴展的波數範圍2700–3550 cm-1中調製深度大於20 dB和脈衝寬度變化小於1.8％。該文章通過對活的人類細胞和小鼠動脈組織進行成像，並利用二次諧波產生和雙光子激發的螢光對小鼠尾巴，腎臟和腦組織切片進行多峰非線性成像，證明了該系統具有這些功能。這項工作還建立了將現有雷射器重塑為同步雙色雷射器的一般方案，從而促進了CRS成像技術的廣泛普及和應用。
圖1 用於多模態非線性光學顯微鏡的自同步雙色脈衝光纖雷射器。(a)雙色脈衝光纖雷射器的示意圖。1.0 µm的無源鎖模光纖雷射器以80 MHz的重複頻率生成飛秒脈衝序列。光纖耦合器（OC）將輸出分為兩個分支，以生成斯託克斯和泵浦光束。在通過二向色鏡（DM）在空間上組合斯託克斯光束和泵浦光束並通過延遲線（DL）在時間上重疊光束之後，將兩種顏色的雷射束髮射到定製的雷射掃描顯微鏡中。DC-EDFA雙包層摻鉺/鐿光纖放大器，DC-YDFA雙包層摻鐿光纖放大器，Er摻鉺光纖，F濾波器，FC光纖準直儀，FIM光纖耦合強度調製器，G光柵，GVD組速度色散，L透鏡，M鏡，Nrt往返次數，基於OIM光纖的光學集成模塊，PBS偏振分束器，PC偏振控制器，PD光電二極體，PPLN周期性極化鈮酸鋰晶體，SMF單模光纖，WDM波分復用耦合器，XPM交叉相位調製，Yb 摻鐿光纖，YDFA摻鐿光纖放大器，λ/ 2半波片，λ/ 4四分之一波片。（b–e）在沒有（b，d）和具有（c，e）自同步的情況下，在1.5 µm處1.0 ps脈衝時序的數值模擬。 該模擬假設1.5 µm脈衝的初始往返時間不匹配為50 fs，這會變得更慢（b，c）或更快（d，e）。
圖2 雙色脈衝光纖雷射器的光譜特性。(a)無源鎖模光纖雷射器的粗調範圍為1.0 µm，由腔內濾波器調諧（F1，通帶約為8.0 nm）。 (b) 斯託克斯光束的微調範圍為1010–1060 nm，由脈衝壓縮器中的狹縫調諧，即圖1a中的黑色虛線矩形，其有效通帶為?1.0 nm。(c)相干波長發生器的調諧範圍為1.5 µm，由腔內濾波器調諧（F2，通帶<1.0 nm）。(d)典型的SHG光譜集中在789 nm處，即泵浦光束。 注意，所有圖中的強度均已歸一化。(e)二甲基亞碸（DMSO）和甲醇樣品的SRS光譜和自發拉曼光譜（SR）的比較。 請注意，DMSO的光譜已垂直偏移以便更好地可視化。
圖3 雙色脈衝光纖雷射器的時間特性。(a)由20 GHz實時示波器記錄的斯託克斯和泵浦光束的實時脈衝序列分別在1017和789 nm處記錄。(b)通過20 MHz正弦函數調製的斯託克斯束的實時脈衝序列。 調製深度高於99％。(c)在整定範圍內，泵浦束和斯託克斯束的自相關跡線以及斯託克斯束的脈衝寬度穩定性。(d) 泵浦光束和斯託克斯光束在100分鐘內具有長期功率穩定性。在此測量中，泵浦光束（789 nm）和斯託克斯光束（1017 nm）的輸出功率分別設置為?100和?550 mW。 均方根（RMS）功率波動分別僅為0.1％和0.5％。通過和頻效應進行光學互相關測量。 灰色和黑色曲線顯示了在光學互相關跡線（藍色）的峰值和一半最大值處監視的SFG強度。(f) 比較兩色脈衝光纖雷射器，標準固態飛秒雷射器（Spectra-Physics MaiTai）和典型的超連續譜（SC）光纖雷射器的相對強度噪聲（RIN）光譜。
圖4 人體細胞的CARS和SRS圖像。(a)、(b)同時獲取活骨肉瘤（U2OS）細胞的CARS和SRS圖像。 泵浦光束和斯託克斯光束的焦功率分別設置為33和74 mW。 像素停留時間為12.5 µs，鎖定放大器的時間常數為2 µs。(c)，(d)活的分化的原代成肌細胞（PMD）的CARS和SRS圖像。在這裡，應用了2倍放大以顯示單元的更多細節。泵浦光束和斯託克斯光束的焦功率分別為25和47 mW，像素停留時間為51.2 µs，鎖定時間常數為20 µs。 箭頭指示細胞內選定脂質滴的位置。
圖5 小鼠上腔靜脈組織冷凍切片的CARS和SRS圖像。(a)小鼠上腔靜脈組織冷凍切片的明場圖像。 感興趣的綠色和紅色區域（ROI）分別指示應用CRS成像的位置，紫色虛線顯示上腔靜脈的大致位置。(b)、(c)從紅色輪廓區域分別獲取的CARS和SRS數據。 在這裡，我們可以區分出中膜和中膜內膜，並具有出色的對比度，並可以看到含有血紅細胞的血栓（見(b)的黃色插圖），血紅細胞附著在動脈壁上。 在(b)中插入一條粉紅色的虛線以描繪彈性內部，將兩個區域彼此分開。(d)、(e)綠色輪廓區域的CARS和SRS圖像詳細顯示了上腔靜脈的富含脂質的中膜介質。 對於泵浦光束和斯託克斯光束，光功率分別設置為33和74 mW。 像素停留時間為6.4 µs，鎖定時間常數為2 µs。 斯託克斯光束的調製頻率為20 MHz。
(f)圖像(d)和(e)的相應線掃描。 該位置由圖像(e)中的綠線指示。 在這裡，我們在中膜介質的脂質豐富區域比較CARS和SRS信號。 由於其化學敏感性增強，SRS揭示了小的脂質區域（紅色箭頭）。 將信號歸一化為兩個通道的最高信號強度。
圖6 小鼠尾巴樣品的SHG成像以及腎臟和腦組織切片的雙光子螢光成像。(a)未染色的小鼠尾部玻片的SHG圖像。所施加的偏振由半波片和四分之一波片控制。利用斯託克斯光束的FCPA輸出（?8 nm的帶寬，?200 fs的脈衝寬度）將約20 mW的焦功率施加到樣品上。(b)、(c)使用?20 mW的聚焦功率，小鼠腎臟切片的雙光子激發螢光圖像。(d)、( e)在兩個玻璃片之間製備的200 µm厚的小鼠腦組織樣品的雙光子激發螢光圖像，其中小鼠在V層錐體神經元（Thy1-YFP H線）中表達黃色螢光蛋白（YFP）。
（來源：科學網 OSANJU 周倩葦）
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-020-0259-2