葛強(qiáng) 光域激光有限公司

前言：
    激光，是現(xiàn)代生物成像和分析系統(tǒng)中日益重要的工具，其應(yīng)用包含了流式細(xì)胞術(shù)到共焦和多光子顯微鏡技術(shù)。然而，在眾多商業(yè)化的成像系統(tǒng)中，其性能因其傳統(tǒng)激技術(shù)所固有的如激光波長、成本、功率和可靠性等缺陷而嚴(yán)重受到限制。由深圳光域激光提供的超快光纖激光器能為您提供一個(gè)“交鑰匙”、體積超小、高可靠性的解決方案，是下一代生物醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)中最佳光源。

    超快光纖激光器具有：超小的外觀尺寸、與生俱有的高可靠性和低維護(hù)成本等特點(diǎn)，日益成為眾多生物醫(yī)學(xué)成像應(yīng)用中倍受青睞的激光光源，對多光子激發(fā)顯微技術(shù)中的傳統(tǒng)鈦-藍(lán)寶石激光器提出了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)，以及對在熒光分析領(lǐng)域中的傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器、氦氖激光器和氬離子激光器形成了巨大的競爭壓力。具體請登錄www.optizonelaser.com.

    深圳光域激光的超快光纖激光器采用MOPA結(jié)構(gòu)，大大簡化和靈活了設(shè)計(jì)上的需要。MOPA結(jié)構(gòu)中有兩大獨(dú)立的部分組成：一個(gè)是低功率的飛秒或皮秒光纖激光器（MO），另一個(gè)是高功率的光纖放大器（PA）�？梢元�(dú)立地通過改變主機(jī)振動激光器（MO）或放大器（PA）的參數(shù)，便可以得到一個(gè)不同光學(xué)參數(shù)和性能的激光器，從而來滿足您特殊而指定的應(yīng)用要求。該靈活的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)已使得超快光纖激光器能迅速地滿足大范圍內(nèi)的各種不同應(yīng)用需求。

超快光纖激光器的典型特征：
    主振動器（MO）一般是個(gè)全光纖化的被動鎖模激光器，它無需任何調(diào)整，可通過鑰匙開關(guān)工作和自啟動運(yùn)行。脈沖頻率（<1Mhz到幾百M(fèi)hz）十分合適準(zhǔn)連續(xù)激光應(yīng)用，也符合壽命成像應(yīng)用。

    圖1：通過衍射光柵發(fā)散出可見光部分光譜

    在顯微技術(shù)諸多應(yīng)用中，超快激光器往往會牽涉到多光子熒光顯微技術(shù)，在這些應(yīng)用中由于激光發(fā)展歷史的原因，鈦寶石激光器成為理所當(dāng)然的選擇。但是我們都知道鈦寶石激光器無法提供一個(gè)可調(diào)諧寬帶光譜，但是深圳光域激光的飛秒光纖激光器不但可以提供980nm-1100nm范圍的離散波段，它還具有成本低和體積小等優(yōu)勢，還有能和您現(xiàn)有的顯微系統(tǒng)兼容等潛質(zhì)。

    今天，輸出平均功率高達(dá)5W，脈沖寬度短于250fs的“交鑰匙”式的激光器早已面市。光纖化結(jié)構(gòu)的激光系統(tǒng)所具有的超級長的波長范圍超越了絕對多數(shù)鈦寶石激光器可調(diào)諧的極限，為雙光子熒光技術(shù)和二次諧波顯微研究帶來了諸多好處。

    工作在皮秒或飛秒狀態(tài)下的高功率光纖激光器，單脈沖能量可達(dá)皮焦至幾十微焦，這個(gè)參數(shù)對材料加工尤其重要，對組成部件和生物組織也同等重要。

    通過非線性頻率轉(zhuǎn)化技術(shù)可拓寬光纖激光器輻射光譜從近紅外到可見光到紫外范疇，得到532nm，355nm和266nm波長輸出，還可以產(chǎn)生帶寬超級寬的“超連續(xù)光譜”-----該現(xiàn)象將會對下一代生物醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)有著巨大的“洗腦沖擊”。

超連續(xù)激光器----激光歷史的最新發(fā)展

    在高非線性光學(xué)纖維如光子晶體纖維或錐形光纖中產(chǎn)生超連續(xù)光譜現(xiàn)象被Lucent公司和英國Bath大學(xué)在1999-2000年相繼發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時(shí)演示的連續(xù)光譜從400nm到2000nm。早期的光纖超連續(xù)光源是通過自由空間式地把高強(qiáng)度的飛秒光脈沖（如鈦寶石激光）或納秒級的脈沖光（如調(diào)Q芯片激光器）耦合進(jìn)光子晶體纖維來實(shí)現(xiàn)的。然而當(dāng)需要為實(shí)驗(yàn)室提供一臺真正意義上的白光激光器時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)采用以上高強(qiáng)度光進(jìn)行端面耦合進(jìn)入十分細(xì)微的光纖（直徑為3um）這種工藝做成的激光器卻有著諸多如不穩(wěn)定和不可靠等先天性的問題，從而使得該工藝技術(shù)無法滿足真正商業(yè)化的實(shí)際要求。

    2005年，深圳光域激光的英國合作公司研制出了成熟的超連續(xù)光纖激光器，當(dāng)時(shí)它的光譜覆蓋了450nm到2000nm，平均功率接近2W。該超連續(xù)光纖激光器基于一個(gè)高功率的皮秒光源和一段高非線性光子晶體纖維。高密度的脈沖光被緊緊地約束在空間很窄的光學(xué)纖維波導(dǎo)中，從而會產(chǎn)生一個(gè)從可見光（400nm以下）到2000um的超連續(xù)光譜�；�于全光纖化的結(jié)構(gòu)，該激光系統(tǒng)的耦合是通過成熟而簡單的光纖熔融，而非傳統(tǒng)意義上的自由空間式的端面投射進(jìn)入光纖，所以大大提高了它的可靠性和穩(wěn)定性，而這些問題是其他固定激光器產(chǎn)生超連續(xù)光譜時(shí)幾乎無法克服的困難。

    作為一個(gè)已經(jīng)商業(yè)化4年的產(chǎn)品，深圳光域的超連續(xù)光纖激光器經(jīng)在很多方面都進(jìn)行了提高和完善。在2005年，我們一臺新的激光系統(tǒng)打破了在波長和輸出功率上的限制。表格一清楚地比較了我們今天和當(dāng)時(shí)2005年激光器參數(shù)的比較。在過去的3年中我們主要把精力放在提高激光亮度和更短波長輸出上，因?yàn)檫@兩個(gè)參數(shù)是許多成像應(yīng)用中很關(guān)鍵和基本的要求。最新的（2007年）改進(jìn)是在400nm到2000nm全波段把光譜密度提高到好幾個(gè)mW/nm(見圖1)。但是，也許最重要的完善是對激光器的可靠性上，而這個(gè)性能通過我們多次實(shí)地的演示應(yīng)用如從熒光成像到納米光學(xué)到基礎(chǔ)研究等等得到滿意的認(rèn)證。

表格1：2005年和2007年超連續(xù)光纖激光器參數(shù)比較：

    該文后半部分將集中介紹一些關(guān)鍵的生物醫(yī)療技術(shù)，在這些應(yīng)用都用到了我們的超連續(xù)光纖激光器如：流式血細(xì)胞技術(shù)、共焦顯微技術(shù)和光學(xué)相干斷層攝影術(shù)。

一臺激光器解決熒光成橡

    流式細(xì)胞術(shù)（FACS）是生物醫(yī)學(xué)研究很關(guān)鍵的工具手段。這些復(fù)雜的儀器用來測量單個(gè)細(xì)胞的特性，一般是通過探測附在它們表面上的的熒光分子（熒光團(tuán)）來進(jìn)行。這些熒光分子就好比一根探針，在研究細(xì)胞免疫系統(tǒng)，辨別癌細(xì)胞和診斷疾病等多研究領(lǐng)域起到十分關(guān)鍵的同一性細(xì)胞分析作用。流式細(xì)胞術(shù)的進(jìn)行幾乎完全依賴于激光束來激發(fā)熒光團(tuán)。然而這些激光的相干性和功率水平使得他們十分合適做光照單個(gè)細(xì)胞的理想光源，但是他們不連續(xù)的光波限制了本能夠通過流式細(xì)胞術(shù)分析出來的熒光探針的類型，

    盡管固體激光技術(shù)已經(jīng)增加了不連續(xù)波長激光器的多樣性，但是它們與熒光激發(fā)所能接受的光波范圍仍然存在著巨大的差距，而這大大限制了在生物醫(yī)療分析中進(jìn)行熒光探測的能力。

    共焦熒光顯微技術(shù)，是生物醫(yī)療科學(xué)領(lǐng)域中探測更為廣泛而復(fù)雜醫(yī)學(xué)現(xiàn)象的最強(qiáng)有力的專業(yè)技術(shù)之一，在該技術(shù)中也同樣需要和流式細(xì)胞術(shù)一樣要求的激光光源。

    幾乎目前所有的商業(yè)化使用的的共焦顯微系統(tǒng)都是通過組合好幾臺在可見光附近的不連續(xù)波長激光器來進(jìn)行熒光激發(fā)的。但是在流式細(xì)胞術(shù)中，通過使用波長固定的激光器（哪怕是好幾臺）去進(jìn)行激發(fā)，得到激發(fā)波長其實(shí)是很小一部分的。受此限制很多熒光團(tuán)便無法探測和利用。

    為促進(jìn)熒光激發(fā)技術(shù)的發(fā)展，近年來發(fā)展出了把多通道AOTF技術(shù)（聲光調(diào)制濾波器）和超連續(xù)光纖激光器結(jié)合起來。一臺帶有8通道的AOTF的超連續(xù)光纖激光器可以在可見光范圍內(nèi)提供8個(gè)激光束，每一個(gè)通道激光都可以在整個(gè)光譜范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)制，并且都處于在一樣的發(fā)散衍射極限的同線上。超連續(xù)光譜和AOTF技術(shù)的結(jié)合為流式細(xì)胞術(shù)或熒光共焦顯微技術(shù)進(jìn)行大范圍激發(fā)和探測進(jìn)行最優(yōu)化的需要提供了一個(gè)十分靈活的解決方案。這種激光器的波長能夠通過精密調(diào)諧至熒光探針的激發(fā)峰進(jìn)行分析研究。

    更有甚者，深圳光域激光提供的超連續(xù)光纖激光器不僅在性能上有了顯著的提高，同時(shí)在成本上也有著巨大的優(yōu)勢。例如，在如圖2示的流式細(xì)胞式實(shí)驗(yàn)平臺上，除了一臺三倍頻的Nd:YVO4 355nm紫外激光器外，所有其他的激光器和眾多光學(xué)器件都可以只用一臺超連續(xù)光纖激光器來取代。同時(shí)，隨著超連續(xù)光纖激光技術(shù)的不斷發(fā)展，其光譜范圍擴(kuò)展到紫外波段只是一個(gè)時(shí)間問題而已，那時(shí)一臺超連續(xù)光纖激光器便可取代所有的激光器，甚至都可以滿足最高規(guī)格的成像系統(tǒng)所需要的各種連續(xù)光譜。

圖2：由波長不連續(xù)的8個(gè)激光器組成的高標(biāo)準(zhǔn)的流式細(xì)胞術(shù)工作臺完全可以通過一臺超連續(xù)激光器來取代。

    然而，從事共焦顯微技術(shù)的商業(yè)單位將會很快把超連續(xù)光纖激光器集成到他們的成像系統(tǒng)中，他們一般是那些具有遠(yuǎn)見的第一個(gè)投資該先進(jìn)技術(shù)的科研單位。比如說英國劍橋的“激光分析集團(tuán)”的Clemens Kaminski博士和他的團(tuán)隊(duì)近來就集成了一臺超連續(xù)光纖激光器在他的奧林巴斯FluoView顯微鏡掃描系統(tǒng)中來進(jìn)行二維和三維和活細(xì)胞成像研究。

    圖三展示了采用深圳光域激光的SC450系列超連續(xù)激光器和AOTF系統(tǒng)進(jìn)行兩維高精度的熒光共焦成像樣品圖。在該實(shí)驗(yàn)中，一個(gè)鈴蘭花標(biāo)本經(jīng)過番紅和固綠染色，分別擁有530nm和620nm的峰值激發(fā)波長。既然這兩個(gè)分染料和該樣品的其他區(qū)域有著很多親和關(guān)系，所以掃描它的激發(fā)波長便能突現(xiàn)出樣品的不同區(qū)域。有纖維質(zhì)的細(xì)胞壁經(jīng)過固綠染色后出現(xiàn)在整個(gè)樣品中（620nm和640nm圖象），而經(jīng)過番紅染料染色的木質(zhì)素在內(nèi)皮和木質(zhì)部出現(xiàn)，而且在540nm到560nm激發(fā)波段尤為突出可見。

圖3：經(jīng)過藩紅和固綠染色后的鈴蘭花根莖在530nm和620nm峰值激發(fā)波段的分別成像。

光學(xué)相干斷層成像術(shù)

    光學(xué)相干斷層成像術(shù)（OCT）是一門干涉測量和非入侵式成像技術(shù)，它能夠提供毫米量級的滲入（在生物組織中可高達(dá)3mm），而縱向精度一般是微米量級。超連續(xù)光源在OCT的應(yīng)用是其在生物醫(yī)療成像領(lǐng)域的另一個(gè)重要應(yīng)用。

    傳統(tǒng)的OCT系統(tǒng)中最普遍的做法是采用超級冷光半導(dǎo)體激光器做光源，但是它嚴(yán)重受到帶寬的限制，所以成像的縱向精度一般只有10-15微米。超高精度的OCT系統(tǒng)可能會采用價(jià)格超級昂貴但又超級復(fù)雜的飛秒固體激光器來實(shí)現(xiàn)，并能夠在725nm波段得到了亞微米量級的縱向精度。

    深圳光域激光的“交鑰匙”式超連續(xù)光纖激光器可以實(shí)現(xiàn)更高光譜帶寬和不斷增加的輸出功率和保持恒定不變的可靠性能。

    德國亞琛市的半導(dǎo)體電子研究所的Felix Spoler和他的同事們近來充分利用超連光纖激光器的高亮度和寬帶寬來示范超高精度的OCT系統(tǒng)。他們的方法是把超連續(xù)光纖激光器在840nm和1230nm中心光譜分成兩個(gè)帶寬，每個(gè)帶有著超過100mW的平均功率，而每個(gè)帶都有著近200nm的帶寬。840nm和1230nm的雙波長OCT系統(tǒng)能充分利用短波長照射的高縱向精度和在長波長下的高滲透深度。該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)可以分別得到自由空間上1.8um的精度（840nm）和3.8um精度（1230nm）。另外，兩個(gè)波長同時(shí)使用還會使得每個(gè)波長OCT成像時(shí)發(fā)生混頻，從而可以減少成像斑點(diǎn)。利用不同光譜成像還可以提高成像的對比度，因此可以通過樣品的后向散射光對每個(gè)波長帶寬進(jìn)行分析，從而對該樣品的結(jié)構(gòu)提供了另一個(gè)信息標(biāo)準(zhǔn)。

    圖四展示了一個(gè)人類指甲活體的不同光譜成像，在改區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)出了不同的層次和血管。在這里，兩個(gè)波長帶寬散射強(qiáng)度的不同通過顏色來標(biāo)記出來。

圖4：一個(gè)人類指甲活體在超高精度OCT上的雙波段不同顏色圖像。

展望
    流式細(xì)胞術(shù)、光學(xué)相干斷層成像術(shù)、CARS顯微鏡、以及共焦熒光顯微技術(shù)等生物醫(yī)學(xué)的應(yīng)用對合適的寬光譜照射光源有著巨大的實(shí)際需求，這持續(xù)地推動了激光技術(shù)的發(fā)展。

    在過去的5年中，超快光纖激光器已經(jīng)開始在許多應(yīng)用市場挑戰(zhàn)傳統(tǒng)意義上的固體激光器、半導(dǎo)體激光器和氣體激光器，同時(shí)可以預(yù)期隨著激光技術(shù)不斷發(fā)展和成本的降低，作為下一代生物醫(yī)療成橡系統(tǒng)的最好光照用途的光源，超連續(xù)光纖激光器會得到越來越廣泛的推廣與應(yīng)用。