高性能937nm激光器，让科学家以更低功率看得更深

当前，双光子显微镜（Two-photon microscopy，2PM）在生物医学研究中的无创深层组织成像中发挥着可靠有效的作用。自20世纪末双光子显微镜发明以来，业界对于该领域的相关研究就不断涌现，将双光子显微镜从荧光团推进到成像方法，并在生物化学和医学领域投入应用。

在双光子成像中，如何成像较深的组织一直是一项巨大挑战。激光源有可能解决这一挑战。然而，用于双光子成像的传统钛宝石锁模激光器受到其高重复频率的限制，无法在低曝光功率下提供深组织成像所需的高脉冲能量。光纤激光器通过在腔中添加几十米的光纤方便地克服了高重复率，但在某些情况下会受到低增益和低信噪比的影响。

最近，香港大学Kenneth Wong教授带领的Omega研究小组开发了一种高性能激光器，作为多光子显微镜的一种新光源。他们的研究刊登在Advanced Photonics Nexus专业期刊上。研究人员开发了一种937nm激光器，频率是1.8μm全光纤锁模激光器的两倍，具有约9MHz的低重复率和74dB的高信噪比。

低重复率激光激发多个荧光信号

新型937nm激光源依靠单模光纤中的自相位调制，同时提高1.8μm功率并压缩脉冲宽度。937nm激光设计适用于多种荧光蛋白的高灵敏度深组织成像。激光光源对多种生物组织类型提供双光子激发。小鼠大脑显示的穿透深度达到620μm，显示了该技术的深层组织成像能力。研究人员还进行了二次谐波（SHG）成像，演示了无标签成像并初步验证该光源在多模式成像应用中的潜力。

由于低重复频率和高信噪比，该光源仅需要10mW的功率就能对超过600µm深度的组织进行有效成像。在功率上明显明显低于40MHz光纤激光器，后者需要大约200mW类似深度的力量。新激光源大大减少了成像中的光漂白和光损伤，提高了组织成像的深度和活体成像的安全性。

基于新型937nm激光的双光子成像结果。(a)和(b)小鼠脑切片中YFP标记的神经元和纤维的双光子荧光图像。(c)小鼠大脑不同深度的亲脂性示踪染色脉管系统的两个光子荧光图像。(d)EGFP标记的小鼠脑神经元图像的3D重建

这项工作将有助于深入了解用于研究和生物医学应用的深层组织成像。香港大学博士后研究员和通讯作者Tian Qiao评论说：“这种新型高信噪比937nm激光源在灵敏度、穿透深度和双光子成像的成像速度之间取得了良好平衡。它在双光子成像方面的出色性能表明它在生物研究方面具有令人兴奋的潜力，例如体内深组织成像和多模成像。”

光学分辨率光声显微镜

光学分辨率光声显微镜(OR-PAM)系统是一种新的混合成像技术，使研究人员能够“聆听”光的声音并看到生物组织本身的颜色。OR-PAM可用于实时、多对比度功能成像。但大多数商用激光器的波长选择有限以及现有扫描方法的局限性意味着OR-PAM在一次扫描中只能获得一种或两种不同类型的对比度。这些限制使得多对比功能成像非常耗时，并且难以捕捉生物组织中功能信息的动态变化。

(a)OR-PAM系统，(b)血氧饱和度图像，(c)血流量图像，(d)脱氧血红蛋白浓度和淋巴浓度图像

去年3月，香港城市大学的Lidai Wang教授和他的研究团队开发了一种基于单一激光源的多波长OR-PAM系统。正如Advanced Photonics中所报道的，新系统能够同时对血红蛋白浓度、血流速度、血氧饱和度和淋巴浓度进行多对比度成像。这种功能信息可以为研究疾病模型的科学家提供重要的亚细胞见解，例如癌症研究。

基于目标生物组织的固有吸收特性，光声成像利用了这样一个事实：当组织被脉冲激光束靶向时，它会吸收光并产生瞬时热量。这种热量会导致热膨胀从而产生机械超声波，称为光声 波。通过超声波换能器采集光声波并重建信号后，科学家可以获得显示生物组织中光吸收分布的图像。光学分辨率光声显微镜为生物组织的结构、形态、功能和代谢提供高分辨率和高对比度的图像信息，在生物分子成像中具有广泛的应用前景。

通过OR-PAM系统对血红蛋白浓度、氧饱和度、血流速度和淋巴管浓度实现同时多对比图像

Lidai Wang的团队通过开发基于单波长纳秒激光源的五波长光纤激光源以改进OR-PAM系统。不同波长之间的切换时间发生在亚微秒时间尺度上，为同时多功能OR-PAM系统开辟了可能性。Wang团队通过测量能量波动和漂移验证了系统的稳定性，并测试了OR-PAM成像的成像深度以及横向和轴向分辨率。

Lidai Wang表示，该系统基于受激拉曼散射效应。基本上，泵浦激光源可以通过光纤产生比原始入射光束波长更长的散射激光束。当泵浦激光源的能量超过一定阈值时，产生的受激拉曼散射波长保持高方向性、高单色性和高相干性，非常适合作为OR-PAM的激光源。多个散射波长可用于多对比度光声成像。