采用长波长（1300 nm和1700 nm）激发的三光子荧光显微镜（three-photon fluorescence microscopy, 3PM）能够超越双光子显微镜的深度极限将成像向组织更深处推进，并促进神经科学、免疫学和癌症生物学的发展与进步。然而，3PM 的广泛应用也面临着挑战。原理上，相比于比双光子激发，三光子激发（three-photon excitation, 3PE）信号更弱，因此需要峰值功率高的超短脉冲。目前这些脉冲源的低效率、复杂性和高成本成为在典型生物医学研究实验室中使用3PM的主要障碍。在此，本文介绍一种基于空芯光纤的飞秒脉冲源，其峰值功率可达几兆瓦，调谐范围覆盖850 nm至1700 nm。

图1(a)为系统装置图，振荡器提供重复频率为31 MHz的初始脉冲，随后脉冲经过啁啾光纤布拉格光栅被展宽到几百皮秒，重复率降低到200 kHz。脉冲分三级放大和压缩后，产生能量为18 µJ的300 fs脉冲。自相位调制的效果在很大程度上取决于输入脉冲的持续时间。作者在模拟实验中发现约100 fs或更短的脉冲才能产生所需的光谱增宽，因此采用多薄片压缩器（MPC）来压缩来自放大器的脉冲，压缩后得到能量为10 µJ的100 fs脉冲。随后脉冲耦合到充有氩气的反谐振空芯光纤 (anti-resonant hollow-core fiber, ARHCF)来展宽光谱。作者希望以适度的脉冲能量实现强非线性相互作用，因此选择了纤芯较小的ARHCF（纤芯30 µm）。光谱展宽后的脉冲经光谱滤波并色散补偿，再输入到显微镜系统成像。

图1(a)系统装置示意图；(b) 左图为MPC后测量和重建的脉冲频谱。右图为MPC后重建的脉冲时间曲线；(c)反谐振光纤的透射率 [1]

如图2所示，光谱随着气压的增加而变宽，直到光谱在1300 nm处出现较强成分。通过在60 fs和100 fs之间改变输入脉冲的持续时间来优化光谱形状和时域脉冲，发现100 fs输入脉冲产生最佳效果。通过使用长通滤波器，在波长超过1240 nm的地方分离出能量为960 nJ的脉冲（图 3(a)）。该脉冲存在拖尾（图3(b)），经过色散补偿后尾部消除，得到持续时间50 fs的脉冲（图3(c)）。

图2 不同气压下光纤的输出光谱[1]

图3 (a) 蓝色：滤波频带的光谱图；红色：FROG 算法对去啁啾脉冲重建的光谱。(b) 未进行色散补偿的滤波频带的时域图，以及 (c) 经过色散补偿的滤波频带的时域图[1]

如图4所示，固定输入脉冲为100 fs，改变气压，可以看到即使没有任何色散补偿，光源也能在850 nm到1700 nm的整个倍频程范围内提供峰值功率为兆瓦级脉冲。

图4 不同气压下经过滤波得到的850-1700 nm的脉冲光谱及时域图[1]

随后，作者用滤波得到的中心波长1300 nm的脉冲对转基因GCaMP6s小鼠的神经元进行了结构和功能三光子体内成像。图5(a)-(c)展示了小鼠整个皮质柱直至外囊（深度约为950 µm至1100 µm）的结构成像。通过3PM可以持续检测到硬脑膜下~800 µm处的自发神经元活动，其光子/神经元/秒的数量足以进行高保真钙离子瞬态记录（图 5(d)-(e)）。

图5 1300 nm光源在转基因GCaMP6s小鼠大脑深部体内三光子成像[1]

本文展示了一种基于空芯光纤中自相位调制效应的波长可调的100 fs脉冲源，其峰值功率在850 nm到1700 nm之间远超1 MW。该方法为产生高能量~100 fs脉冲提供了新途径，这种脉冲可在多光子显微镜最重要的波长窗口大范围调谐实现组织的深度成像。小鼠大脑深部组织的结构和功能三光子荧光图像说明了该光源的有效性。

参考文献：

[1] Eisenberg, Y., Wang, W., Zhao, S., Hebert, E. S., Chen, Y. H., Ouzounov, D. G., ... & Wise, F. (2024). Efficient, broadly-tunable source of megawatt pulses for multiphoton microscopy based on self-phase modulation in argon-filled hollow-core fiber. arXiv preprint arXiv:2410.00889.

       原文标题 : 超快光纤激光技术之四十八 可广泛调谐兆瓦峰值功率飞秒光源