利用反向传播超慢贝塞尔光子弹生成的飞行时间分辨受激拉曼散射显微镜

受激拉曼散射 (SRS) 显微镜是一种光学振动光谱成像技术，已成为一种极具吸引力的无标记成像工具，可用于具有高生化特异性的组织和细胞成像和表征。然而，传统 SRS 显微镜中使用的紧密聚焦的高斯激发光束会经历强烈的光散射效应，由于组织中的折射率不均匀，光束在传播到浑浊介质中时会劣化光束轮廓，从而导致空间分辨率下降和光穿透受限，无法进行体积深层组织成像。使用非衍射贝塞尔光束似乎是提高 3D 深度成像穿透深度的一种有前途的替代方案，但使用贝塞尔光束进行光栅扫描只能提供样本的 SRS 2D 投影图像，因此深度信息会丢失。此外，现有的基于贝塞尔光束的 SRS 断层扫描依赖于光学拍打或光学投影技术，通过获取多个原始图像对深度信息进行空间编码，这可能会受到样本运动伪影的影响。

在《光科学与应用》杂志上发表的一篇新论文中，新加坡国立大学设计与工程学院生物医学工程系光学生物成像实验室的黄志伟教授领导的科学家团队开发了一种新颖的飞行时间分辨贝塞尔光束受激拉曼散射 (B2-SRS) 显微镜，可实现具有高空间分辨率的深层组织 SRS 3D 化学成像。他们构思了独特的角色散控制方案，可以同时将泵浦和斯托克斯光束脉冲转换为超慢贝塞尔光束(群速度(v g )~0.1c)，并且可以使用单个空间光调制器独立调整 vg。更引人注目的是，他们使超慢泵浦和斯托克斯贝塞尔光束沿样品的轴向反向传播(即泵浦：v g,p <0，斯托克斯：v g,S >0);因此，通过控制两个贝塞尔光束在样品内部相遇的深度，无需进行机械 z 扫描，即可立即检测到深度分辨的 SRS 信号。所报道的技术将广泛应用于生物和生物医学系统及其他领域的无标记深层组织 3D 化学成像。这些科学家总结了他们的 B 2 -SRS 显微镜的工作原理：

“我们提出了一种新颖的角度色散控制方案，使用轴棱镜和沿光轴进行圆对称调制的SLM，从而可以生成多色共线贝塞尔光束，而不会产生像差，从而实现高分辨率生物成像。”

“独特的 B 2 -SRS 技术通过非线性光学过程测量具有不同 vg 的两个光脉冲之间的相互作用，发生非线性相互作用的深度信息可以通过它们的相对速度或相对飞行时间来控制，只需使用常规光电探测器即可进行检测。如果群速度为 v g ~0.1c 且脉冲宽度 ~100 fs，则与传统光检测和测距 (LiDAR) 的毫米级分辨率相比，基于飞行时间的技术的分辨率应至少提高三个数量级，长度可达微米。”他们补充道。

“B 2 -SRS 中发明的光学切片方法结合超慢反向传播贝塞尔光束生成和飞行时间分辨检测具有通用性，可以很容易地应用于许多其他非线性光学成像模式，从而显著推进生物和生物医学系统及其他领域的 3D 显微镜成像。我们的技术还为表征 4D 中各种动态时空波包(例如，包括空间和时间)提供了新的见解，具有前所未有的时空分辨率和光谱信息。”科学家预测道。

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