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北京凝聚态物理国家研究中心
L07组供稿
第9期
2024年01月29日
预啁啾和增益双管理的掺Yb光纤激光器实现SLAM医学成像

  作为一种无标记成像技术,多模态非线性光学成像(NLOI)已成为癌症评估的有力工具。为了避免与多模态NLOI相关的运动伪影和光损伤,一种解决方案是使用单个超快激光作为激发源,结合多个检测通道来收集不同模态的信号观察不同的生物分子。但是在这种情况下,每种模态无法独立优化,需要一个合适的激发源来激发所有NLOI模态。无标记自发荧光多倍频 (SLAM) 显微镜是将激发波长设置在1110nm,可以实现在单一激发条件下,通过不同的信号检测通道同时收集四个模态的信号,获取FAD的双光子荧光 (2PAF)、NADH的三光子荧光 (3PAF)、胶原结构的二倍频 (SHG)以及折射率突变处的三倍频 (THG)信号。目前用于驱动SLAM显微镜的光源大多需要将超短脉冲耦合入光子晶体光纤或晶体中实现波长转换,存在成本高、占地面积大、操作复杂和无法长时间稳定运行等问题。

  针对上述问题和难点,大地网投最新版本/北京凝聚态物理国家研究中心L07组在多年超快光纤激光研究的基础上,提出了预啁啾和增益双管理的掺Yb光纤激光器,通过精细地调节输入能量及预啁啾,最终获得了波长在1110nm、能量大于90nJ、脉宽34fs且峰值功率接近3MW的脉冲,该光源在小巧稳定的同时实现了极佳的脉冲质量,可驱动SLAM显微镜实现医学成像。


图1. 实验装置图

图1为预啁啾和增益双管理的掺镱光纤激光系统示意图。它由种子源、预放大模块、预啁啾模块、增益管理放大 (GMA)模块和压缩模块组成。该种子源提供了中心波长1040nm、脉冲能量0.2nJ、重复频率43MHz的种子脉冲。种子脉冲经过一段40cm长的掺Yb光纤实现预放大。GMA模块前放置一对光栅来引入色散,通过调整光栅间距,给预放大输出的脉冲添加负或正的预啁啾。进一步预啁啾脉冲在3.1m长的掺Yb光纤中实现增益管理放大。二次放大后的脉冲通过另一对透射光栅进行压缩。实验通过精细地调节输入能量及预啁啾来探究这些参数对脉冲压缩质量的影响,实验结果如图2和3所示,在一定范围的泵浦功率、输入能量以及适当的负啁啾下,可以产生高压缩质量的脉冲。当泵浦功率为9W,输入脉冲能量为0.6nJ,预啁啾为-36000fs2时,获得了中心波长1110nm、脉宽34fs、能量92.2nJ以及峰值功率接近3MW的脉冲,非常适合驱动SLAM显微镜实现医学成像。 

图2. 泵浦功率为9W,预啁啾为-36000fs2时,不同输入脉冲能量对GMA脉冲压缩的影响。(a) 不同输入能量下压缩脉冲脉宽和斯特列尔比。(b) 不同输入能量下的输出光谱。(c) 红色曲线:测量得到的压缩脉冲自相关轨迹,黑色曲线:通过光谱计算得到的变换极限脉冲的自相关轨迹  

图3. 输入脉冲能量为0.6nJ, 泵浦功率为9W时,不同预啁啾对GMA脉冲压缩的影响。(a) 不同预啁啾下压缩脉冲脉宽和斯特列尔比。(b) 不同预啁啾下的输出光谱。(c) 红色曲线:测量得到的压缩脉冲自相关轨迹,黑色曲线:通过光谱计算得到的变换极限脉冲的自相关轨迹

  该研究团队将这种超快光源应用于不同组织中的肿瘤病理学研究,包括肠腺癌、肺腺癌和肝脏组织,通过SLAM技术同时成像细胞和细胞外成分。图4所示为肠腺癌组织的SLAM图像,其中绿色表示SHG,品红色表示THG,黄色表示2PEF,蓝色表示3PEF。SLAM成像可以提供比常规H&E染色图像更丰富的细胞和组织细节,有助于理解肿瘤和正常组织中生物组分的变化,并寻找癌症诊断和预后的生物标志物。 

图4. (a) 肠腺癌组织SHG / THG / 2PEF / 3PEF成像。在 (c) - (e) (白色虚线方块)中放大了不同的感兴趣区域。(b) 相应的H&E染色图像。(c) 正常肠粘膜组织的2PEF/ 3PEF成像。(d) 正常肠粘膜组织的SHG / THG成像。(e) 间质纤维和脂肪空泡的SHG成像,红色箭头:肠腺,蓝色箭头:基底膜,绿色箭头:杯状细胞分泌的黏液,白色箭头:巨噬细胞,黄色箭头:间质纤维,紫色箭头:脂肪空泡。比例尺:200μm

  总体而言,研究团队通过开发预啁啾和增益双管理的掺Yb光纤激光器,实现了高质量的超快脉冲产生,并成功将其应用于SLAM成像。SLAM成像技术可以提供更丰富的细胞和组织细节,有助于肿瘤病理学研究和癌症诊断。此外,该超快光源具有紧凑、稳健的特点,非常适合在临床环境中使用,以实现对各种生理和病理过程的快速和全面评估。这项研究的创新结果有望推动医学诊断和治疗领域的发展,为癌症诊断、疗效评估和个体化治疗提供更准确、更全面的信息。随着技术的不断进步和优化,SLAM成像有望未来在临床实践中发挥更重要的作用。这一进展相关的装置及核心器件已申请国家发明专利。

  相关结果发表于最近一期的美国光学学会期刊 Biomedical Optics Express 上(10.1364/BOE.506915),论文第一作者为常国庆研究员指导的博士生邢宇婷。

  该工作得到了国家自然科学基金(批准号:No. 92250307, 62227822和62175255)和大地网投最新版本重要仪器研制项目(批准号:No. YJKYYQ20190034)的支持。常国庆研究员和武汉同济医院的陈耀兵医生为通讯作者,博士生陈润植、张立昊、刘洋、刁新材及武汉同济医院的张述研究员、大地网投最新版本大学的史祎诗教授、魏志义研究员也参与了该工作的设计和讨论。