作為一種無標記成像技術，多模態非線性光學成像(NLOI)已成為癌癥評估的有力工具。為了避免與多模態NLOI相關的運動偽影和光損傷，一種解決方案是使用單個超快激光作為激發源，結合多個檢測通道來收集不同模態的信號觀察不同的生物分子。但是在這種情況下，每種模態無法獨立優化，需要一個合適的激發源來激發所有NLOI模態。無標記自發熒光多倍頻 (SLAM) 顯微鏡是將激發波長設置在1110nm，可以實現在單一激發條件下，通過不同的信號檢測通道同時收集四個模態的信號，獲取FAD的雙光子熒光 (2PAF)、NADH的三光子熒光 (3PAF)、膠原結構的二倍頻 (SHG)以及折射率突變處的三倍頻 (THG)信號。目前用于驅動SLAM顯微鏡的光源大多需要將超短脈沖耦合入光子晶體光纖或晶體中實現波長轉換，存在成本高、占地面積大、操作復雜和無法長時間穩定運行等問題。
針對上述問題和難點，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心L07組在多年超快光纖激光研究的基礎上，提出了預啁啾和增益雙管理的摻Yb光纖激光器，通過精細地調節輸入能量及預啁啾，最終獲得了波長在1110nm、能量大于90nJ、脈寬34fs且峰值功率接近3MW的脈沖，該光源在小巧穩定的同時實現了極佳的脈沖質量，可驅動SLAM顯微鏡實現醫學成像。
圖1. 實驗裝置圖
圖1為預啁啾和增益雙管理的摻鐿光纖激光系統示意圖。它由種子源、預放大模塊、預啁啾模塊、增益管理放大 (GMA)模塊和壓縮模塊組成。該種子源提供了中心波長1040nm、脈沖能量0.2nJ、重復頻率43MHz的種子脈沖。種子脈沖經過一段40cm長的摻Yb光纖實現預放大。GMA模塊前放置一對光柵來引入色散，通過調整光柵間距，給預放大輸出的脈沖添加負或正的預啁啾。進一步預啁啾脈沖在3.1m長的摻Yb光纖中實現增益管理放大。二次放大后的脈沖通過另一對透射光柵進行壓縮。
圖2. 泵浦功率為9W，預啁啾為-36000fs2時，不同輸入脈沖能量對GMA脈沖壓縮的影響。(a) 不同輸入能量下壓縮脈沖脈寬和斯特列爾比。(b) 不同輸入能量下的輸出光譜。(c) 紅色曲線：測量得到的壓縮脈沖自相關軌跡，黑色曲線：通過光譜計算得到的變換極限脈沖的自相關軌跡??
實驗通過精細地調節輸入能量及預啁啾來探究這些參數對脈沖壓縮質量的影響，實驗結果如圖2和3所示，在一定范圍的泵浦功率、輸入能量以及適當的負啁啾下，可以產生高壓縮質量的脈沖。當泵浦功率為9W，輸入脈沖能量為0.6nJ，預啁啾為-36000fs2時，獲得了中心波長1110nm、脈寬34fs、能量92.2nJ以及峰值功率接近3MW的脈沖，非常適合驅動SLAM顯微鏡實現醫學成像。?
圖3. 輸入脈沖能量為0.6nJ,?泵浦功率為9W時，不同預啁啾對GMA脈沖壓縮的影響。(a) 不同預啁啾下壓縮脈沖脈寬和斯特列爾比。(b) 不同預啁啾下的輸出光譜。(c) 紅色曲線：測量得到的壓縮脈沖自相關軌跡，黑色曲線：通過光譜計算得到的變換極限脈沖的自相關軌跡
該研究團隊將這種超快光源應用于不同組織中的腫瘤病理學研究，包括腸腺癌、肺腺癌和肝臟組織，通過SLAM技術同時成像細胞和細胞外成分。圖4所示為腸腺癌組織的SLAM圖像，其中綠色表示SHG，品紅色表示THG，黃色表示2PEF，藍色表示3PEF。SLAM成像可以提供比常規H&E染色圖像更豐富的細胞和組織細節，有助于理解腫瘤和正常組織中生物組分的變化，并尋找癌癥診斷和預后的生物標志物。?
圖4. (a) 腸腺癌組織SHG / THG / 2PEF / 3PEF成像。在 (c) - (e) (白色虛線方塊)中放大了不同的感興趣區域。(b) 相應的H&E染色圖像。(c) 正常腸粘膜組織的2PEF/ 3PEF成像。(d) 正常腸粘膜組織的SHG / THG成像。(e) 間質纖維和脂肪空泡的SHG成像，紅色箭頭：腸腺，藍色箭頭：基底膜，綠色箭頭：杯狀細胞分泌的黏液，白色箭頭：巨噬細胞，黃色箭頭：間質纖維，紫色箭頭：脂肪空泡。比例尺：200μm
總體而言，研究團隊通過開發預啁啾和增益雙管理的摻Yb光纖激光器，實現了高質量的超快脈沖產生，并成功將其應用于SLAM成像。SLAM成像技術可以提供更豐富的細胞和組織細節，有助于腫瘤病理學研究和癌癥診斷。此外，該超快光源具有緊湊、穩健的特點，非常適合在臨床環境中使用，以實現對各種生理和病理過程的快速和全面評估。這項研究的創新結果有望推動醫學診斷和治療領域的發展，為癌癥診斷、療效評估和個體化治療提供更準確、更全面的信息。隨著技術的不斷進步和優化，SLAM成像有望未來在臨床實踐中發揮更重要的作用。這一進展相關的裝置及核心器件已申請國家發明專利。
相關結果發表于最近一期的美國光學學會期刊?Biomedical Optics Express?上，論文第一作者為常國慶研究員指導的博士生邢宇婷。
該工作得到了國家自然科學基金（批準號：No. 92250307, 62227822和62175255）和中國科學院重要儀器研制項目（批準號：No. YJKYYQ20190034）的支持。常國慶研究員和武漢同濟醫院的陳耀兵醫生為通訊作者，博士生陳潤植、張立昊、劉洋、刁新材及武漢同濟醫院的張述研究員、中國科學院大學的史祎詩教授、魏志義研究員也參與了該工作的設計和討論。
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