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作為一種無標(biāo)記成像技術(shù)，多模態(tài)非線性光學(xué)成像(NLOI)已成為癌癥評估的有力工具。為了避免與多模態(tài)NLOI相關(guān)的運(yùn)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(fā)源，結(jié)合多個檢測通道來收集不同模態(tài)的信號觀察不同的生物分子。但是在這種情況下，每種模態(tài)無法獨(dú)立優(yōu)化，需要一個合適的激發(fā)源來激發(fā)所有NLOI模態(tài)。無標(biāo)記自發(fā)熒光多倍頻 (SLAM) 顯微鏡是將激發(fā)波長設(shè)置在1110nm，可以實(shí)現(xiàn)在單一激發(fā)條件下，通過不同的信號檢測通道同時收集四個模態(tài)的信號，獲取FAD的雙光子熒光 (2PAF)、NADH的三光子熒光 (3PAF)、膠原結(jié)構(gòu)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(qū)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(shí)現(xiàn)波長轉(zhuǎn)換，存在成本高、占地面積大、操作復(fù)雜和無法長時間穩(wěn)定運(yùn)行等問題。

針對上述問題和難點(diǎn)，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心L07組在多年超快光纖激光研究的基礎(chǔ)上，提出了預(yù)啁啾和增益雙管理的摻Y(jié)b光纖激光器，通過精細(xì)地調(diào)節(jié)輸入能量及預(yù)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(wěn)定的同時實(shí)現(xiàn)了極佳的脈沖質(zhì)量，可驅(qū)動SLAM顯微鏡實(shí)現(xiàn)醫(yī)學(xué)成像。

圖1. 實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖1為預(yù)啁啾和增益雙管理的摻鐿光纖激光系統(tǒng)示意圖。它由種子源、預(yù)放大模塊、預(yù)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(fù)頻率43MHz的種子脈沖。種子脈沖經(jīng)過一段40cm長的摻Y(jié)b光纖實(shí)現(xiàn)預(yù)放大。GMA模塊前放置一對光柵來引入色散，通過調(diào)整光柵間距，給預(yù)放大輸出的脈沖添加負(fù)或正的預(yù)啁啾。進(jìn)一步預(yù)啁啾脈沖在3.1m長的摻Y(jié)b光纖中實(shí)現(xiàn)增益管理放大。二次放大后的脈沖通過另一對透射光柵進(jìn)行壓縮。

圖2. 泵浦功率為9W，預(yù)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(guān)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(guān)軌跡??

實(shí)驗(yàn)通過精細(xì)地調(diào)節(jié)輸入能量及預(yù)啁啾來探究這些參數(shù)對脈沖壓縮質(zhì)量的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)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(dāng)?shù)呢?fù)啁啾下，可以產(chǎn)生高壓縮質(zhì)量的脈沖。當(dāng)泵浦功率為9W，輸入脈沖能量為0.6nJ，預(yù)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(qū)動SLAM顯微鏡實(shí)現(xiàn)醫(yī)學(xué)成像。?

圖3. 輸入脈沖能量為0.6nJ,?泵浦功率為9W時，不同預(yù)啁啾對GMA脈沖壓縮的影響。(a) 不同預(yù)啁啾下壓縮脈沖脈寬和斯特列爾比。(b) 不同預(yù)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(guān)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(guān)軌跡

該研究團(tuán)隊(duì)將這種超快光源應(yīng)用于不同組織中的腫瘤病理學(xué)研究，包括腸腺癌、肺腺癌和肝臟組織，通過SLAM技術(shù)同時成像細(xì)胞和細(xì)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(lán)色表示3PEF。SLAM成像可以提供比常規(guī)H&E染色圖像更豐富的細(xì)胞和組織細(xì)節(jié)，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(yù)后的生物標(biāo)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(qū)域。(b) 相應(yīng)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(zhì)纖維和脂肪空泡的SHG成像，紅色箭頭：腸腺，藍(lán)色箭頭：基底膜，綠色箭頭：杯狀細(xì)胞分泌的黏液，白色箭頭：巨噬細(xì)胞，黃色箭頭：間質(zhì)纖維，紫色箭頭：脂肪空泡。比例尺：200μm

總體而言，研究團(tuán)隊(duì)通過開發(fā)預(yù)啁啾和增益雙管理的摻Y(jié)b光纖激光器，實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量的超快脈沖產(chǎn)生，并成功將其應(yīng)用于SLAM成像。SLAM成像技術(shù)可以提供更豐富的細(xì)胞和組織細(xì)節(jié)，有助于腫瘤病理學(xué)研究和癌癥診斷。此外，該超快光源具有緊湊、穩(wěn)健的特點(diǎn)，非常適合在臨床環(huán)境中使用，以實(shí)現(xiàn)對各種生理和病理過程的快速和全面評估。這項(xiàng)研究的創(chuàng)新結(jié)果有望推動醫(yī)學(xué)診斷和治療領(lǐng)域的發(fā)展，為癌癥診斷、療效評估和個體化治療提供更準(zhǔn)確、更全面的信息。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和優(yōu)化，SLAM成像有望未來在臨床實(shí)踐中發(fā)揮更重要的作用。這一進(jìn)展相關(guān)的裝置及核心器件已申請國家發(fā)明專利。

相關(guān)結(jié)果發(fā)表于最近一期的美國光學(xué)學(xué)會期刊?Biomedical Optics Express?上，論文第一作者為常國慶研究員指導(dǎo)的博士生邢宇婷。

該工作得到了國家自然科學(xué)基金（批準(zhǔn)號：No. 92250307, 62227822和62175255）和中國科學(xué)院重要儀器研制項(xiàng)目（批準(zhǔn)號：No. YJKYYQ20190034）的支持。常國慶研究員和武漢同濟(jì)醫(yī)院的陳耀兵醫(yī)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(jì)醫(yī)院的張述研究員、中國科學(xué)院大學(xué)的史祎詩教授、魏志義研究員也參與了該工作的設(shè)計和討論。