新型飞行时间分辨受激拉曼散射显微镜可实现高分辨率生物成像

受激拉曼散射(SRS)显微镜是一种光学振动光谱成像技术，已成为一种具有高度生化特异性的组织和细胞成像和表征的有吸引力的无标记成像工具。

然而，传统SRS显微镜中使用的紧密聚焦的高斯激发光束会受到强烈的光散射效应，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恶化光束轮廓，从而导致空间分辨率下降和光穿透能力受限，无法进行深层组织体积成像。

使用非衍射贝塞尔光束已成为提高3D深度成像穿透深度的一种有前途的替代方法，但使用贝塞尔光束进行光栅扫描只能提供样品的SRS2D投影图像，因此深度信息丢失。

此外，现有的基于贝塞尔束的SRS断层扫描依靠光学拍打或光学投影技术通过获取多个原始图像在空间上对深度信息进行编码，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型飞行时间分辨贝塞尔光束受激拉曼散射(B2-SRS)显微镜，用于具有高空间分辨率的深层组织SRS3D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(vg)~0.1c)，并且可以使用单个空间光调制器独立调整vg。

更为引人注目的是，他们让超慢泵浦和斯托克斯贝塞尔光束在样品中沿轴向反向传播(即泵浦：vg,pg,s>0);这样，通过操纵两束贝塞尔光束的相对飞行时间，就能控制两束贝塞尔光束在样品内部相遇的深度，从而立即探测到深度分辨的SRS信号，而不需要进行机械的z扫描。

所报告的技术将在生物和生物医学系统及其他领域的无标记深层组织3D化学成像方面有广泛的应用。

“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B2-SRS技术通过非线性光学过程测量两个具有不同vg的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。

研究人员补充道：“如果群速度vg~0.1c且脉冲宽度~100fs，则基于飞行时间的技术的分辨率应该至少提高三个数量级，最高可达微米级，而传统光检测和测距(LiDAR)的分辨率为毫米级。”

“在B2-SRS中发明的采用超慢反向传播贝塞尔光子弹生成的光学切片方法以及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，从而显着推进生物和生物医学系统及其他领域的3D显微镜成像。

科学家说：“我们的技术还以前所未有的时空分辨率和光谱信息为4D中各种动态时空波包(例如包括空间和时间)的表征提供了新的见解。”

通过在傅立叶平面上引入正和负角度色散，可以生成向前和向后传播的斯托克斯和泵浦贝塞尔光束。生成的贝塞尔光束比传统的贝塞尔光束脉冲具有更慢的群速度和更短的光束长度。因此，可以通过解码两个贝塞尔光束在样本中相遇的空间信息来立即检索深度编码的SRS信号，以进行SRS3D成像。

为了完成这项任务，他们开发了角色散控制方案，以产生反向传播的斯托克斯光束和泵浦贝塞尔光束，分别为正光束和负光束。SLM上显示的相位图由两个环形光栅组成，这两个光栅的光栅周期不同，斯托克斯光束和泵浦光束的闪耀角相反。

研究人员展示了B2-SRS技术在新鲜猪脑组织上进行深层组织3D化学成像的优势。B2-SRS中产生的贝塞尔光束在浑浊介质中表现出显著的散射弹性特性，与传统SRS成像相比，B2-SRS在脑成像中的穿透深度提高了2倍以上。

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