用于多色双光子荧光显微成像的线性可压缩连续光谱

摘要

在活体状态下,同时监测生物组织微环境中多种细胞的动态特性和相互作用,对免疫治疗、药物疗效的在体评价等生物学机制研究具有重大意义。由于双光子激发荧光固有的层析能力,相对较深的穿透深度以及较低的焦点损伤,双光子荧光显微成像提供了优秀的活体组织中细胞事件的高分辨观察能力。因此,多色双光子荧光显微成像可以提供活体组织微环境中优秀的多种细胞或物质的动态追踪能力。当前100-fsTi:Sapphire激光器的有限带宽无法最优化激发多色荧光团,限制了多色双光子荧光显微成像在活体成像上的研究。包含所涉及荧光团的最优激发波长的宽带连续光谱是多色双光子荧光成像的理想光源。基于现有Ti:Sapphire激光脉冲通过高非线性光子晶体光纤传输产生连续光谱具有简单灵活等优点。然而,当前产生的光纤连续光谱大多是不可压缩的,导致光纤连续光谱的脉冲宽度被系统色散展宽到若干皮秒,从而多色双光子荧光团的激发效率较低。
　　为了有效地提高多色双光子荧光成像的多细胞追踪和检测能力,本文围绕“如何基于现有100-fs脉冲在高非线性光子晶体光纤中的传输,产生能同时有效地激发多色双光子荧光团的可线性压缩宽带连续光谱”这一关键问题,通过系统研究飞秒脉冲在非线性光纤成像系统中的传输特性,进行了如下研究工作:
　　首先,研究了光纤,脉冲以及光栅参数对线性压缩连续光谱的影响。光纤的零色散点,长度和传输功率对光谱展宽,色散补偿以及双光子荧光显微成像的信号水平的影响都获得了充分的研究。理论和实验结果都显示对于给定的700-850nm,~200mW,100fs脉冲,20-30mm,零色散点位于800-900nm的高非线性光子晶体光纤是最适用于产生能够线性压缩连续光谱的。将脉冲压缩器整合到标准双光子荧光显微镜中,我们通过对研究脉冲在显微成像系统中的演化和对双光子荧光显微成像的描述,证实了线性压缩连续光谱对双光子荧光显微成像的信号增强作用。
　　其次,为了增强自相位调制效应产生线性可压缩的宽带连续光谱,我们理论描述了脉冲在光纤中的演化规律。通过对脉冲在不同蓝移零色散点光子晶体光纤中产生连续光谱的演化特性分析,发现将脉冲泵浦在靠近光纤零色散点附近,低色散传输可以延迟孤子分裂并在更长的光纤中增强SPM主导的光谱展宽。实验验证并产生了700-900nm可线性压缩的宽带连续光谱,其脉冲宽度可被光栅对压缩至57fs。对3色荧光标记的牛肺动脉内皮细胞进行的双光子荧光显微成像证实了该线性压缩连续光谱可以同时且有效的多色双光子荧光激发。
　　最后,为了进一步增强光纤连续光谱的双光子荧光激发效率和实现多色荧光团的双光子选择性激发,我们研究了如何对连续光谱进行相干控制。相干控制光纤连续光谱的关键是精确引入相位函数。本文实现了对脉冲整形的相位校准工作,并获得了使用脉冲整形装置进行飞秒脉冲相位畸变校正的初步研究结果。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

1绪 论

1.1 双光子荧光显微成像

1.2 多色双光子荧光显微成像

1.3 最优激发多色荧光团的研究进展

1.4 本文主要内容

2脉冲在非线性光纤成像系统中的传输效应及其描述方法

2.1 非线性光纤成像系统中的色散和非线性效应

2.2 脉冲在高非线性光子晶体光纤中的传输理论

2.3 数值求解广义非线性薛定谔方程

2.4 本章小结

3基于线性压缩连续光谱的双光子荧光成像?

3.1 连续光谱的线性压缩原理

3.2 双光子显微成像系统中的脉冲压缩

3.3 压缩脉冲用于双光子荧光成像

3.4 讨论

3.5 本章小结

4基于线性压缩宽带连续光谱的多色双光子荧光成像?

4.1 脉冲在不同色散特性光子晶体光纤中的演化

4.2 线性压缩宽带连续光谱的产生

4.3 线性压缩宽带连续光谱用于多色双光子荧光成像

4.4 讨论

4.5 本章小结

5相干控制连续光谱用于多色双光子荧光成像

5.1 飞秒脉冲的相干控制

5.2 相干控制的参数设置

5.3 精确测量和控制脉冲相位

5.4 讨论

5.5 本章小结

6总结与展望

6.1 总结

6.2 创新点

6.3 展望

致谢

参考文献

附录 攻读学位期间发表论文目录