利用超高重复频率激光提高双光子成像信噪比的机理研究

双光子荧光显微成像在生命科学领域已有广泛应用，但其图像信噪比一直不理想。传统思路采用增加信号的积分时间和提高激发光强度等方法来提高图像信噪比，导致成像速度慢、焦点处光漂白和光损伤严重，因而不利于生物医学应用。本项目研究提高激发频率来增强双光子激发荧光成像信噪比的新原理。揭示荧光激发效率，图像的信号、噪声，光漂白及光损伤与激发频率之间的关系，以及超高重复频率脉冲改善图像信噪比的机制；设计脉冲倍频器，产生超高重复频率的激发脉冲，在不引起显著光漂白和光损伤的条件下同时提高荧光信号强度和信噪比；在上述基础上，改进快速扫描双光子显微成像系统，实现高信噪比的快速成像。本项目可为活细胞或组织内生命活动的长时间实时监测提供高信噪比、低损伤的三维高时空分辨成像的新方法，将增进人们在分子水平上对生命活动的认识，促进高分辨、高灵敏分子成像技术的发展及其在生命科学中的应用。

本项目针对双光子荧光显微成像，通过提高双光子荧光显微成像中的飞秒脉冲激发光的重复频率，提高单位时间内的荧光强度，可以用于提高快速双光子荧光成像中的荧光强度。另一方面，在保证荧光强度一定的情况下，因为峰值功率的降低，可以减缓光漂白和光损伤的速率，实现更长时间的双光子荧光成像。围绕超高重复频率激光的实现及其双光子成像应用开展了如下工作：设计了基于分光器的脉冲倍频光路进行了原理验证实验。在此基础上，将脉冲倍频光路设计为一体化的脉冲倍频器，可以放入双光子显微镜的飞秒激光导入光路中，实现脉冲倍频。超高重复频率可应用于快速双光子成像中，在更低的光漂白和光损伤下，提高信号强度。在快速双光子成像的神经细胞钙成像应用中，结合互相关分析，可以在毫秒时间尺度上，判断神经元活动的先后顺序。快速双光子成像的一种实现方案以声光偏转器为核心，也开展了声光偏转器的设计和仿真，通过提高声光偏转器的工作频带宽度和功率，实现了更大扫描角度的声光偏转器，并通过有限元方法进行了大功率声光偏转器的热分析。