【摘 要】
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双光子荧光显微成像和相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）显微成像是非线性光学显微成像的两种主要形式。双光子荧光显微成像具有分辨率高、成像深度深、对比度高等特点;而CARS显微成像具有对细胞光损伤小、系统装置简单、高分辨率等优势,同时还具有良好的化学特异性和化学选择性。双光子荧光显微成像和CARS显微成像在生物学、医学以及相关医疗领域具有重要的应用前景。本文以单个飞秒激光振荡器作为成像光源自行搭建了一
【基金项目】
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国家自然科学基金,《基于飞秒激光脉冲整形的高光谱相干拉曼显微成像研究》,61675057； 国家自然科学基金,《利用多维飞秒时间分辨光谱技术研究分子激发态相干振动及其演化超快动力学》,61975050； 河北省自然科学基金,《基于双 Time-lens光源的光学相干反斯托克斯拉曼显微成像研究》,F20212055；
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双光子荧光显微成像和相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）显微成像是非线性光学显微成像的两种主要形式。双光子荧光显微成像具有分辨率高、成像深度深、对比度高等特点;而CARS显微成像具有对细胞光损伤小、系统装置简单、高分辨率等优势,同时还具有良好的化学特异性和化学选择性。双光子荧光显微成像和CARS显微成像在生物学、医学以及相关医疗领域具有重要的应用前景。本文以单个飞秒激光振荡器作为成像光源自行搭建了一套成像系统,具备同时实现双光子荧光显微成像和光谱聚焦CARS显微成像等多种模式的非线性光学显微成像能力。本文利用该系统开展了罗丹明B双光子荧光显微成像以及聚苯乙烯和小鼠大脑切片的光谱聚焦CARS显微成像研究。理论和系统设计方面,基于微观分子理论,从双光子荧光原理出发,推导得出了双光子的荧光强度和单双光子的轴向和径向方程;并就单光子荧光和双光子荧光空间分布特点进行了比较分析。同时,通过对双光子荧光过程中饱和现象的分析,借助模拟仿真验证了自行搭建的成像系统未达到饱和状态,从而满足了实验要求。结合CARS信号的产生过程,推导得出CARS信号的强度公式,并从理论层面分析了利用啁啾匹配实现光谱聚焦CARS显微成像的方法,通过模拟仿真对色散介质的长度进行选取,为后续进行成像系统的合理设计与搭建提供了理论依据。最后,本文自行搭建了一个基于单个飞秒激光振荡器的显微成像系统,该成像系统能完成双光子荧光信号和CARS信号的采集。实验上测量了罗丹明B溶液的双光子荧光光谱,开展了罗丹明B固体样品的双光子荧光成像研究。分析了双光子荧光强度和激发脉冲功率之间的关系,并且利用半波片改变激发光场的偏振方向,研究了双光子荧光强度随激发脉冲偏振方向的变化趋势,实现了双光子荧光强度的类正弦调制。在光谱聚焦CARS二维成像研究中,通过改变泵浦-斯托克斯的延迟时间,获得了随延迟时间变化的光谱聚焦CARS信号强度谱,通过与聚苯乙烯拉曼光谱的对比,分析了在改变泵浦-斯托克斯的延迟时间过程中,被激发的拉曼振动模式的切换情况。同时,在固定的拉曼振动模式下通过对聚苯乙烯样品进行断层扫描,实现了对聚苯乙烯样品的三维CARS成像;对小鼠大脑切片进行光谱聚焦CARS显微成像研究,验证了该成像系统对生物样品进行观察也能在低指纹区获得良好的光谱聚焦CARS结果。
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