作為(wei) 一種無標記成像技術，多模態非線性光學成像(NLOI)已成為(wei) 癌症評估的有力工具。為(wei) 了避免與(yu) 多模態NLOI相關(guan) 的運動偽(wei) 影和光損傷(shang) ，一種解決(jue) 方案是使用單個(ge) 超快激光作為(wei) 激發源，結合多個(ge) 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(you) 化，需要一個(ge) 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(ge) 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。目前用於(yu) 驅動SLAM顯微鏡的光源大多需要將超短脈衝(chong) 耦合入光子晶體(ti) 光纖或晶體(ti) 中實現波長轉換，存在成本高、占地麵積大、操作複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、能量大於(yu) 90nJ、脈寬34fs且峰值功率接近3MW的脈衝(chong) ，該光源在小巧穩定的同時實現了極佳的脈衝(chong) 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(wei) 預啁啾和增益雙管理的摻鐿光纖激光係統示意圖。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、脈衝(chong) 能量0.2nJ、重複頻率43MHz的種子脈衝(chong) 。種子脈衝(chong) 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，給預放大輸出的脈衝(chong) 添加負或正的預啁啾。進一步預啁啾脈衝(chong) 在3.1m長的摻Yb光纖中實現增益管理放大。二次放大後的脈衝(chong) 通過另一對透射光柵進行壓縮。

圖2. 泵浦功率為(wei) 9W，預啁啾為(wei) -36000fs2時，不同輸入脈衝(chong) 能量對GMA脈衝(chong) 壓縮的影響。(a) 不同輸入能量下壓縮脈衝(chong) 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：測量得到的壓縮脈衝(chong) 自相關(guan) 軌跡，黑色曲線：通過光譜計算得到的變換極限脈衝(chong) 的自相關(guan) 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衝(chong) 壓縮質量的影響，實驗結果如圖2和3所示，在一定範圍的泵浦功率、輸入能量以及適當的負啁啾下，可以產(chan) 生高壓縮質量的脈衝(chong) 。當泵浦功率為(wei) 9W，輸入脈衝(chong) 能量為(wei) 0.6nJ，預啁啾為(wei) -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的脈衝(chong) ，非常適合驅動SLAM顯微鏡實現醫學成像。 

圖3. 輸入脈衝(chong) 能量為(wei) 0.6nJ, 泵浦功率為(wei) 9W時，不同預啁啾對GMA脈衝(chong) 壓縮的影響。(a) 不同預啁啾下壓縮脈衝(chong) 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：測量得到的壓縮脈衝(chong) 自相關(guan) 軌跡，黑色曲線：通過光譜計算得到的變換極限脈衝(chong) 的自相關(guan) 軌跡

該研究團隊將這種超快光源應用於(yu) 不同組織中的腫瘤病理學研究，包括腸腺癌、肺腺癌和肝髒組織，通過SLAM技術同時成像細胞和細胞外成分。圖4所示為(wei) 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(feng) 富的細胞和組織細節，有助於(yu) 理解腫瘤和正常組織中生物組分的變化，並尋找癌症診斷和預後的生物標誌物。 

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(xing) 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(ti) 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衝(chong) 產(chan) 生，並成功將其應用於(yu) SLAM成像。SLAM成像技術可以提供更豐(feng) 富的細胞和組織細節，有助於(yu) 腫瘤病理學研究和癌症診斷。此外，該超快光源具有緊湊、穩健的特點，非常適合在臨(lin) 床環境中使用，以實現對各種生理和病理過程的快速和全麵評估。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(wei) 癌症診斷、療效評估和個(ge) 體(ti) 化治療提供更準確、更全麵的信息。隨著技術的不斷進步和優(you) 化，SLAM成像有望未來在臨(lin) 床實踐中發揮更重要的作用。這一進展相關(guan) 的裝置及核心器件已申請國家發明專(zhuan) 利。

相關(guan) 結果發表於(yu) 最近一期的美國光學學會(hui) 期刊 Biomedical Optics Express 上，論文第一作者為(wei) 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(yi) 器研製項目（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(wei) 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禕詩教授、魏誌義(yi) 研究員也參與(yu) 了該工作的設計和討論。