超短脉冲在生物光子学领域的应用

近二十年来，飞秒脉冲激光器的发展极大地推动了光学显微技术的发展。超短脉冲已经成功地发展并应用于诸如：双光子显微成像（Two-Photon Microscopy，TPM）、受激拉曼散射成像（Stimulated Raman Scattering Microscopy，SRS）、相干拉曼散射成像（Coherent Raman Scattering Microscopy，CRS）、相干反斯托克斯拉曼散射成像（Coherent anti-Stokes Raman Scattering Microscopy，CARS）。传统的非线性成像光源一直都是基于钛宝石实现的固体激光器。近年来，光纤激光器飞速发展，其价格低廉、方便集成等优势为非线性显微成像设备的系统集成及商用推广开辟了道路。

自从1990年Denk, W., Strickler, J. H. & Webb, W. W等人第一次实现双光子显微镜以来，TPM技术已经广泛地应用于细胞成像以及神经系统科学中。TPM技术将高峰值功率的飞秒激光聚焦到染色的生物样品表面，激发荧光分子同时吸收两个激发波长的光子，辐射出一个短波的荧光光子。通过对荧光光子的收集处理，实现对生物样品细胞的显微成像。双光子或多光子成像使用光源通常都是波长较长的近红外或红外光，光子能量较低，对样品的穿透能力更强，成像时对样品的损伤更小。而且，激发波长和荧光波长相差较远，方便荧光收集，降低噪声，提高灵敏度。此外，双光子显微镜与Ca离子浓度指示剂标记技术的结合使得人们研究活体动物的神经元细胞成为可能。

除了在成像方面，高功率飞秒脉冲峰值功率高，持续时间短，非常适合于医学切割以及微创手术。特别是1 μm波段的掺镱光纤激光器，该波段激光受人体内水分子吸收影响更小，将激光聚焦于人体角膜基质层时，可以实现对角膜组织的切割，精度高、可预测、热量少、无损伤。基于飞秒光纤激光器的激光矫正屈光手术已经非常普及。据美国屈光与白内障手术协会统计，90%以上的屈光手术医生使用飞秒激光技术。而在全飞秒激光手术系统中，其飞秒光源即为掺镱高能量飞秒光纤激光器，输出波长为1043 nm，脉冲宽度220-580 fs，重复频率为500 kHz，手术中用到的脉冲能量约为150 nJ。