飞秒激光器结合OPA在生物成像领域的最新发展

引言

多光子显微成像中的优势与趋势

在多光子显微成像领域，飞秒激光+OPA技术展现出多波长可调、短脉宽高峰值、高稳定性等显著优势。一台飞秒激光器结合OPA即可替代过去多台单波长激光器，实现对紫外/可见到近红外宽光谱的覆盖，大幅提升多通道成像的灵活性和便利性。

尤其在神经科学功能成像中，不同指标（如绿色钙指示剂、红色荧光蛋白）需要不同激发波长，有了OPA的波长可选性，研究者能够根据荧光探针的光谱特性快速切换或同时提供所需波长，实现多颜色激发和成像。

图(a)为整个多光子显微系统的光路（飞秒激光器作为光源），图(b)为不同非线性信号的能级示意

飞秒脉冲的超短宽带特性也是多光子激发效率提升的关键。脉冲越短，光谱带宽越宽，可以匹配更多荧光团的吸收峰并提高非线性激发概率。

谱量Rb系列工业级超快振荡器运用特色锁模技术，实现了最高>15 nm的光谱宽度和接近100 fs的脉冲（压缩极限），为后续放大提供了高质量种子源。

谱量Rb1030-FP超快光纤振荡器

基于上述超短脉冲种子和先进放大技术，镱离子增益介质的飞秒激光器如今也能达到过去Ti:S系统才能实现的脉冲宽度水平（<100 fs），同时保持较高的平均功率。例如谱量RAS-FP-20超短脉冲飞秒激光器成功将传统Yb激光几百飞秒的输出压缩到<100 fs，并提供高达1.8 mJ的单脉冲能量，使多光子显微对光源的要求（即短脉宽+高功率）得到同时满足，显著扩展了飞秒激光器在多光子领域的应用范围。

谱量RAS-FP超短脉冲飞秒激光器

深组织成像的突破性进展

深层组织成像（>1 mm深度）的难题在于光的散射和衰减。两光子显微一般在大脑皮层300–700 µm左右逐渐力不从心。近年最大的突破来自于三光子显微技术，配合优化的飞秒激光光源，使在毫米级深度的活体成像成为可能。

双光子显微(2PM)与三光子显微(3PM) 在活体深层脑组织成像中的应用深度对比

深组织成像已有实际案例。如在小鼠活体脑组织中，研究者利用三光子显微成功观察到皮层下1.1–1.2 mm处的神经元活动和血管结构，这在以往使用双光子技术是难以实现的深度。

图为小鼠活体深层脑成像， AI 驱动图像后处理，到最终生物学定量分析过程

可以预见，随着飞秒激光+OPA技术的进一步发展，我们将持续突破光学成像的深度极限，在毫米乃至更深尺度上获取高分辨的生物组织信息。