用于多模态非线性显微技术的OPO系统：picoEmerald™

光学方法在生命科学研究中占有重要的地位，20世纪60年代激光器的发明为光学方法提供了理想的高强度光源，大大拓展了光学这一古老学科在生命科学等众多研究领域中的应用。随着超短脉冲中激光、荧光探针标记、微弱信号探测和显微成像技术的不断发展，光学显微成像技术已经成为推动生命科学研究发展的重要动力。具有高时间和空间分辨率高探测灵敏度和化学选择性，又能够实时获取待测样品三维层析图像的显微成像技术成为发展的重点。

1961年WoodburyE J和Ng W K在激光器的激发下，使某些介质的散射过程受激产生受激拉曼散射（stimulated Raman scattering,SRS）。1974年，R.F.Begley等首次提出了相干反斯托克斯拉曼散射（coherentanti-Stokes Raman scattering ,CARS）光谱研究技术的设想，CARS光谱仪诞生，并作为进行化学分析的光谱学分析工具得到了广泛的应用。SRS和CARS显微成像技术可用于生物组织的非标记成像，这就对光源和成像系统提出了与其他显微成像技术不同的要求。

图1是APE公司最新研制出picoEmerald^TM产品，picoEmerald^TM首次实现了近红外皮秒光源的全自动调谐。此款产品极其适合在SRS和CARS显微成像技术中的应用，使用近红外波段的超短ps脉冲激光不仅能够大大减少样品的吸收和散射，高相干性、带宽10cm^-1、高峰值功率和单脉冲能量较低的超短脉冲激光也能最大限度的减少光致损伤，高的重复频率满足快速获取图像的需求，在ps级相干拉曼测量下将获得更高的光谱分辨率。该产品基于APE公司传统OPO设计理念，结合电控自动化的专业技术，才造就了在生物医疗或物理实验中使用方便的picoEmerald^TM。

图1   picoEmerald^TM

在SRS和CARS显微成像技术需求三种激光波长，其中一种波长必须可调，APE公司研发的picoEmerald^TM产品（图2）可提供三种波长，平均功率大于700mW的1032nm斯托克斯光、平均功率大于700mW的可调谐700...990 nm信号光和平均功率大于400mW的1080...1950 nm闲频光，重频80MHz。picoEmerald^TM产品具有优秀的稳定性，产品采用闭腔反馈回路，时刻监测功率、波长的变化，满足用户高稳定性和高再现性的需求。

图2 picoEmerald^TM架构图及其测量应用

另外如图3所示和长脉宽产品相比，在相同的测试条件下成像质量明显提高，2ps的脉宽比7ps脉宽在SRS显微成像技术和CARS显微成像技术的信噪比分别提高了2.5和10倍。这些优秀的产品性能使picoEmerald^TM产品在市场上占有绝对优势。

图3 光源脉宽分别为7ps(左)和2ps(右）聚苯乙烯珠在水中的成像

2014年JooHyun Park和Eun-Soo Lee等人也采用两套独立的激光系统：皮秒脉冲激光器（picoEmerald, APE GmbH, Berlin, Germany）和飞秒脉冲钛宝石激光器（Chameleon Vision-S, Coherent Inc., Santa Clara, CA）成功搭建多模态非线性显微镜。如图4所示，皮秒脉冲激光器集成了OPO和重频80MHz、脉宽7ps、1064nm倍频Nd∶YVO4激光器用于CARS（817nm和1064nm）和SHG(817nm)成像，中心波长为720nm的飞秒激光器用于TPEF成像。

图4 多模态非线性显微镜架构图

图5是使用picoEmerald^TM产品进行显微成像技术的无标记3D主动脉分子靶向成像。