二次諧波相位匹配及其實(shí)現(xiàn)方法

二次諧波的應(yīng)用二次諧波成像是近年進(jìn)展起來(lái)的一種三維光學(xué)成像技術(shù)，具有非線性光學(xué)成像所特有的高空間區(qū)分率和高成像深度，可避開(kāi)雙光子熒光成像中的熒光漂白效應(yīng)。此外二次諧波信號(hào)對(duì)組織的構(gòu)造對(duì)稱性變化高度敏感，因此二次諧波成像對(duì)于某些疾病的早期診斷或術(shù)后治療監(jiān)測(cè)具有很好的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用前景.二次諧波英文名稱：secondharmoniccomponent定義：將非正弦周期信號(hào)按傅里葉級(jí)數(shù)開(kāi)放，頻率為原信號(hào)頻率兩倍的正弦重量。SHG的一個(gè)必要條件是需要沒(méi)要反演對(duì)稱的介質(zhì)其次是必需滿足相位匹配，傳播中的倍頻光波和不斷興盛的倍頻極化波保持了相位的全都性.系，就形成非正弦電流，從而產(chǎn)生諧波。ＳＨＧ試驗(yàn)裝置ＳＨＧ試驗(yàn)裝置按二次諧波信號(hào)收集方式可分為前向和后向，圖２為前向和后向二次諧波產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖．以圖２〔ａ〕為例：由激光器產(chǎn)生的角頻率為的入射基頻光，經(jīng)過(guò)物鏡聚焦到樣品上，產(chǎn)生頻率為２的二次諧波，由另一個(gè)高數(shù)值孔徑的物鏡收集，濾光片〔一般為窄帶濾光片〕濾掉激發(fā)光和可能產(chǎn)生的熒光和其他背景光，再用探測(cè)器件〔如ＰＭＴ〕和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)展信號(hào)的采集、存儲(chǔ)、分析和顯示．要實(shí)現(xiàn)二次諧波微成像需要對(duì)以下因素進(jìn)展最優(yōu)化考慮：超短脈沖激光、高數(shù)值孑Ｌ徑的顯微物鏡、高靈敏度的非解掃面探測(cè)器、準(zhǔn)相位匹配和具有高二階非線性的樣品Ｊ．激光器：摻Ｔｉ藍(lán)寶石飛秒激光器因具有高重復(fù)頻率〔８０ＭＨｚ〕和頂峰值功率，單脈沖能量低且町在整個(gè)近紅外區(qū)〔７００～１０００ｎｍ〕內(nèi)連續(xù)調(diào)諧，的重復(fù)頻率，激發(fā)光的平均功率可相應(yīng)提高，二次諧波信號(hào)也得到增加．物鏡：一般狀況般承受一長(zhǎng)波濾光片和窄帶濾光片〔帶寬１０ｎｍ〕組合以過(guò)濾任何干擾信號(hào)．信號(hào)收集系統(tǒng)：為盡暈削減二次諧波信號(hào)在系統(tǒng)中的損失，提高系統(tǒng)的探測(cè)靈敏度，最好承受非解掃〔ｎｏｎ．ｄｅｓｃａｎｎｅｄ〕的信號(hào)．信號(hào)收集系統(tǒng)中的主要部件是ＰＭＴ探測(cè)器．首先，為收集整個(gè)二次諧波信號(hào)，需要探測(cè)器的接收面足夠?qū)挘浯?，?duì)于由可調(diào)諧Ｔｉ諧波信號(hào)處于３５０～５００ｎｍ－－次諧波信號(hào)．除了使用不同的濾光片外，二次諧波顯微成像和雙光子激發(fā)熒光顯微成像在系統(tǒng)構(gòu)造上是完全兼容的．已有人成功地將激光掃描共聚焦顯微鏡改造成雙光子系統(tǒng)９，同樣，也可以便利的用改造后的系統(tǒng)進(jìn)展兩者的復(fù)合成像二次諧波顯微成像技術(shù)的進(jìn)展及其在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用.細(xì)胞膜電壓的測(cè)量對(duì)理解細(xì)胞信號(hào)傳遞過(guò)程有重要作用.使用適宜的膜染劑進(jìn)展標(biāo)記,通過(guò)對(duì)染劑分子的二次諧波顯微成像,信號(hào)強(qiáng)度變化便能反映膜電壓的大小.近年來(lái),二次諧波顯微成像的一個(gè)主要領(lǐng)域,就是進(jìn)展具有高時(shí)空區(qū)分率及高靈敏度的活細(xì)胞中橫跨膜電壓的光學(xué)測(cè)量方法.用適宜的膜染劑進(jìn)展標(biāo)記，通過(guò)對(duì)染 劑分子的二次諧波顯微成像，信號(hào)強(qiáng)度變化便能反映膜電壓的大?。陙?lái)，二次諧波顯微成像的一個(gè)主要領(lǐng)域，就是進(jìn)展具有高時(shí)空區(qū)分率及高靈敏度的活細(xì)胞中橫跨膜電壓的光學(xué)測(cè)量方法．１９９３年，ＯＢｏｕｅｖｉｔｃｈ等人¨證明，所加電場(chǎng)可猛烈地調(diào)制ＳＨＧ強(qiáng)度．１９９９年，ＰＪＣａｍｐａｇｎｏ！ａ等人則證明白ＳＨＧ信號(hào)隨膜電壓變化．試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，激發(fā)波長(zhǎng)為８５０ｎｍ時(shí)，ＳＨＧ對(duì)膜電壓的靈敏度為１８／１００ｍＶ，而ＴＰＥＦ只有１０／１００ｍＶ＿Ｊ．２００４年，Ａｎｄｒｅｗ等人進(jìn)一步爭(zhēng)論了苯乙烯基染劑產(chǎn)生的二次諧波信號(hào)對(duì)膜電壓的敏感性．試驗(yàn)說(shuō)明，使用８５０～９１０ｎｍ的激發(fā)波長(zhǎng)，膜染劑ｄｉ－４．ＡＮＥＰＰＳ和ｄｉ４．ＡＮＥＰＭＰＯＨ使ＳＨＧ對(duì)膜電壓的敏感度高達(dá)２０／１００ｍＶ，且由于共振增加，使用９５０—９７０ｎｍ的激發(fā)波長(zhǎng)時(shí)，敏感度到達(dá)４０／１００ｍＶ．這些爭(zhēng)論結(jié)果進(jìn)一步穩(wěn)固了ＳＨＧ在活細(xì)胞中膜電壓的功能成像中的重要性．Ｃｏｒｎｅｌｌ毒性的有機(jī)染劑ＤＨＰＥＳＢＰ，對(duì)海參神經(jīng)細(xì)胞進(jìn)展二次諧波微成像〔如圖５，并成功實(shí)現(xiàn)了腦組織巾的電脈沖成像¨，這對(duì)于解瀆大腦工作過(guò)程，解釋大腦退化疾病如Ａｌｚｈｅｉｍｅｒ’ｓ癥等，具有巨大度、高空間區(qū)分率和對(duì)生物的低殺傷性特點(diǎn)，為活體測(cè)量供給了一種方法，有望成為組織形態(tài)學(xué)和生理學(xué)爭(zhēng)論的個(gè)強(qiáng)大工具．目的，ＳＨＧ在神經(jīng)科學(xué)、藥理學(xué)及疾病早期斷方面的應(yīng)用爭(zhēng)論已取得一些進(jìn)展．但二次諧波成像還是一¨不很成熟的技術(shù)，隨著爭(zhēng)論的逐步深入，對(duì)它的應(yīng)用仍舊有待進(jìn)一步的開(kāi)實(shí)現(xiàn)活體生物體內(nèi)深處的組織在分子水平的成像．隨著信號(hào)檢測(cè)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等的進(jìn)展，還可運(yùn)用二次諧波成像實(shí)時(shí)觀看生物細(xì)胞活動(dòng)．由于二次諧波顯微應(yīng)用于肌纖維長(zhǎng)度的準(zhǔn)確度已到達(dá)２０ｎｍ＿¨熒光成像結(jié)合，依據(jù)視網(wǎng)膜的分層構(gòu)造和特點(diǎn)，承受不方法成像，進(jìn)而提醒視網(wǎng)膜的辨牢的手段相位匹配及實(shí)現(xiàn)方法出倍頻光。依據(jù)倍頻轉(zhuǎn)換效率的定義經(jīng)理論推導(dǎo)可得

P2ωηPω ， 〔15〕sin2(Lk/2)η(Lk/2)2

dL2

E2ω。 〔16〕ηL??k/21L??k/2＝0，L是倍頻晶體的通光長(zhǎng)度，不等于0，故應(yīng)?k＝0，即相對(duì)光強(qiáng)-π相對(duì)光強(qiáng)-π0π2πL??k/21L??k/2的關(guān)系就是使

k2kk1 2

41

， 〔17〕nn2， 〔18〕稱作相位匹配條件。速度。滿足〔18〕式，就是要求基頻光和倍頻光在晶體中的傳播速度相等。從這從而到達(dá)好的倍頻效果。2ω―ω102數(shù)量級(jí)。k≠0。但對(duì)于各向2中畫(huà)出了晶體中基頻光和倍z 頻光的兩種不同偏振態(tài)折射率面間的θm 法線 關(guān)系。圖中實(shí)線球面為基頻光折射率面，z軸為光軸。nω nω

n2ωo

o eOn2ωe

體以此矢徑為波法線方向的光波的折o光的折射率可以和圖2負(fù)單軸晶體折射率球面 波沿著與光軸成θm角方向傳播時(shí)，即θm叫做相位匹配角，θm可從下式中計(jì)算得出

sin2m

(n)2 o(n2)2e

(n2)2o(n2)2o

， (19)式中nn2n21列出幾種常用的數(shù)值。o o e

1相位匹配角晶體晶體λ/μmnoneθm鈮酸鋰1.062.2312.15087o0.532.3202.230碘酸鋰1.061.8601.71929o30′0.531.9011.750KD*P1.061.4951.45530o57′0.531.5071.467z方向的夾角，而不法線方向和光軸方向成θm3。Z 以上所述，是入射光以肯定θ 角度入射晶體，通過(guò)晶體的雙m基頻光ω 晶面法線

折射，由折射率的變化來(lái)補(bǔ)償正常色散而實(shí)現(xiàn)相位匹配的，晶體 這稱為角度相位匹配。角度相3非線性晶體的切割

oe光光子，o22單軸晶體的相位匹配條件晶體種類第一類相位匹配其次類相位匹配偏振性質(zhì) 相位匹配條件偏振性質(zhì)相位匹配條件正單軸eeon()n2oeo1[nn()]n2e mo2o e mo負(fù)單軸ooenn2()eoe1[n()n]n2()oem2e mo em本試驗(yàn)用的是負(fù)單軸鈮酸鋰晶體第一類相位匹配。相位匹配的方法除了前述的角度匹配外，還有溫度匹配，這里不作細(xì)述。Ls2LsL光和倍頻光振幅隨距離的變化。假設(shè)晶體過(guò)Ls2LsL過(guò)短。例L<L，則轉(zhuǎn)換效率比較低。L的大s s小根本給出了倍頻技術(shù)中應(yīng)當(dāng)使用的晶體長(zhǎng)圖4晶體中基頻光和倍頻光振幅隨 相位匹配角。所以在不降低入射光功率的情距離的變化 況下，以選用基橫?；虻碗A橫模為宜。IωI2ωt1tIωI2ωt1t2ν1ν1tνt1t22νt2t1ν2tν通過(guò)對(duì)倍頻光脈沖寬度tv的觀測(cè)，還可看到兩種線寬都比基頻頻光強(qiáng)與入射基頻光強(qiáng)的平方成比例的原因。圖5′ ′5基頻光與倍頻光的脈寬及相對(duì)線寬的比較t1t1”時(shí)，功率為峰值的1/2，脈沖寬度?t1＝t1”―t1，而在一樣的時(shí)間間隔內(nèi)，倍頻光的功率樣道理可得到倍頻后的譜線寬度也會(huì)變窄。1064→532：IItheta=20.9phi=90@25CLBO匹配分兩種,一種為非臨界相位匹配,一種為臨界相位匹配即角度匹配.后一種都是在常溫下使用的,也可以依據(jù)不同的工作溫度進(jìn)展角度的調(diào)整。二次諧波的應(yīng)用二次諧波成像是近年進(jìn)展起來(lái)的一種三維光學(xué)成像技術(shù)，具有非線性光學(xué)成像所特有的高空間區(qū)分率和高成像深度，可避開(kāi)雙光子熒光成像中的熒光漂白效應(yīng)。此外二次諧波信號(hào)對(duì)組織的構(gòu)造對(duì)稱性變化高度敏感，因此二次諧波成像對(duì)于某些疾病的早期診斷或術(shù)后治療監(jiān)測(cè)具有很好的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用前景.二次諧波英文名稱：secondharmoniccomponent定義：將非正弦周期信號(hào)按傅里葉級(jí)數(shù)開(kāi)放，頻率為原信號(hào)頻率兩倍的正弦重量。SHG的一個(gè)必要條件是需要沒(méi)要反演對(duì)稱的介質(zhì)其次是必需滿足相位匹配，傳播中的倍頻光波和不斷興盛的倍頻極化波保持了相位的全都性.系，就形成非正弦電流，從而產(chǎn)生諧波。ＳＨＧ試驗(yàn)裝置ＳＨＧ試驗(yàn)裝置按二次諧波信號(hào)收集方式可分為前向和后向，圖２為前向和后向二次諧波產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖．以圖２〔ａ〕為例：由激光器產(chǎn)生的角頻率為的入射基頻光，經(jīng)過(guò)物鏡聚焦到樣品上，產(chǎn)生頻率為２的二次諧波，由另一個(gè)高數(shù)值孔徑的物鏡收集，濾光片〔一般為窄帶濾光片〕濾掉激發(fā)光和可能產(chǎn)生的熒光和其他背景光，再用探測(cè)器件〔如ＰＭＴ〕和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)展信號(hào)的采集、存儲(chǔ)、分析和顯示．要實(shí)現(xiàn)二次諧波微成像需要對(duì)以下因素進(jìn)展最優(yōu)化考慮：超短脈沖激光、高數(shù)值孑Ｌ徑的顯微物鏡、高靈敏度的非解掃面探測(cè)器、準(zhǔn)相位匹配和具有高二階非線性的樣品Ｊ．激光器：摻Ｔｉ藍(lán)寶石飛秒激光器因具有高重復(fù)頻率〔８０ＭＨｚ〕和頂峰值功率，單脈沖能量低且町在整個(gè)近紅外區(qū)〔７００～１０００ｎｍ〕內(nèi)連續(xù)調(diào)諧，的重復(fù)頻率，激發(fā)光的平均功率可相應(yīng)提高，二次諧波信號(hào)也得到增加．物鏡：一般狀況般承受一長(zhǎng)波濾光片和窄帶濾光片〔帶寬１０ｎｍ〕組合以過(guò)濾任何干擾信號(hào)．信號(hào)收集系統(tǒng)：為盡暈削減二次諧波信號(hào)在系統(tǒng)中的損失，提高系統(tǒng)的探測(cè)靈敏度，最好承受非解掃〔ｎｏｎ．ｄｅｓｃａｎｎｅｄ〕的信號(hào)．信號(hào)收集系統(tǒng)中的主要部件是ＰＭＴ探測(cè)器．首先，為收集整個(gè)二次諧波信號(hào)，需要探測(cè)器的接收面足夠?qū)挘浯?，?duì)于由可調(diào)諧Ｔｉ諧波信號(hào)處于３５０～５００ｎｍ－－次諧波信號(hào)．除了使用不同的濾光片外，二次諧波顯微成像和雙光子激發(fā)熒光顯微成像在系統(tǒng)構(gòu)造上是完全兼容的．已有人成功地將激光掃描共聚焦顯微鏡改造成雙光子系統(tǒng)９，同樣，也可以便利的用改造后的系統(tǒng)進(jìn)展兩者的復(fù)合成像二次諧波顯微成像技術(shù)的進(jìn)展及其在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用.細(xì)胞膜電壓的測(cè)量對(duì)理解細(xì)胞信號(hào)傳遞過(guò)程有重要作用.使用適宜的膜染劑進(jìn)展標(biāo)記,通過(guò)對(duì)染劑分子的二次諧波顯微成像,信號(hào)強(qiáng)度變化便能反映膜電壓的大小.近年來(lái),二次諧波顯微成像的一個(gè)主要領(lǐng)域,就是進(jìn)展具有高時(shí)空區(qū)分率及高靈敏度的活細(xì)胞中橫跨膜電壓的光學(xué)測(cè)量方法.ＳＨＧ成像用于膜電壓測(cè)量細(xì)胞膜電壓的測(cè)量對(duì)理解細(xì)胞信號(hào)傳遞過(guò)程有重要作用使用適宜的膜染劑進(jìn)展標(biāo)記，通過(guò)對(duì)染 劑分子的二次諧波顯微成像，信號(hào)強(qiáng)度變化便能反映膜電壓的大?。陙?lái)，二次諧波顯微成像的一個(gè)主要領(lǐng)域，就是進(jìn)展具有高時(shí)空區(qū)分率及高靈敏度的活細(xì)胞中橫跨膜電壓的光學(xué)測(cè)量方法．１９９３年，ＯＢｏｕｅｖｉｔｃｈ等人¨證明，所加電場(chǎng)可猛烈地調(diào)制ＳＨＧ強(qiáng)度．１９９９年，ＰＪＣａｍｐａｇｎｏ！ａ等人則證明白ＳＨＧ信號(hào)隨膜電壓變化．試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，激發(fā)波長(zhǎng)為８５０ｎｍ時(shí)，ＳＨＧ對(duì)膜電壓的靈敏度為１８／１００ｍＶ，而ＴＰＥＦ只有１０／１００ｍＶ＿Ｊ．２００４年，Ａｎｄｒｅｗ等人進(jìn)一步爭(zhēng)論了苯乙烯基染劑產(chǎn)生的二次諧波信號(hào)對(duì)膜電壓的敏感性．試驗(yàn)說(shuō)明，使用８５０～９１０ｎｍ的激發(fā)波長(zhǎng)，膜染劑ｄｉ－４．ＡＮＥＰＰＳ和ｄｉ４．ＡＮＥＰＭＰＯＨ使ＳＨＧ對(duì)膜電壓的敏感度高達(dá)２０／１００ｍＶ，且由于共振增加，使用９５０—９７０ｎｍ的激發(fā)波長(zhǎng)時(shí)，敏感度到達(dá)４０／１００ｍＶ．這些爭(zhēng)論結(jié)果進(jìn)一步穩(wěn)固了ＳＨＧ在活細(xì)胞中膜電壓的功能成像中的重要性．Ｃｏｒｎｅｌｌ毒性的有機(jī)染劑ＤＨＰＥＳＢＰ，對(duì)海參神經(jīng)細(xì)胞進(jìn)展二次諧波微成像〔如圖５，并成功實(shí)現(xiàn)了腦組織巾的電脈沖成像¨，這對(duì)于解瀆大腦工作過(guò)程，解釋大腦退化疾病如Ａｌｚｈｅｉｍｅｒ’ｓ癥等，具有巨大度、高空間區(qū)分率和對(duì)生物的低殺傷性特點(diǎn)，為活體測(cè)量供給了一種方法，有望成為組織形態(tài)學(xué)和生理