导读
近日，新加坡国立大学生物医学工程系黄志伟教授领衔的生物医学光学成像团队成功开发出一种超慢贝塞尔光子弹用于受激拉曼散射深组织快速三维成像技术，这一创新工作发表在国际顶尖光学期刊《light: science & applications》上。新加坡国立大学林书浪为论文的第一作者，新加坡国立大学黄志伟教授为论文的通讯作者。研究人员使用角锥透镜和空间光调制器便实现了高效的角色散调制，在物镜后方产生了群速度仅为0.1c的多通道相向飞行的超慢贝塞尔光子弹。通过调控两个贝塞尔光子弹的相对飞行时间或者相对飞行速度并仅用一光电二极管探测器，就实现飞行时间可分辨的不同深度的受激拉曼散射的快速成像。贝塞尔光子弹在生物组织中传输的散射自修复特性提升了受激拉曼散射成像深度。这一新方法极大地推动了非线性光学快速三维生物医学成像的发展和应用，并对时空波包的进一步研究提供了新思路。
研究背景
受激拉曼散射（srs）显微镜是一种基于分子特定振动的光谱成像技术，具有优良的化学特异性，近年来广泛应用于生物组织和细胞的无标记成像。然而，传统的srs显微镜使用紧密聚焦的高斯激发光束，这些光束在通过混浊介质（如不透明的生物组织）时，由于介质的不均匀折射率分布会导致强烈的光散射效应，从而导致光束畸变。这种畸变降低了srs显微镜的空间分辨率和光穿透能力，限制了其在深层组织三维成像中的应用。
无衍射贝塞尔光束具有较强的抗散射能力，能够在三维成像中提高成像深度。然而，直接使用贝塞尔光束作为激发光进行扫描只能提供样品的srs投影图像，缺乏深度信息。此外，现有基于贝塞尔光束的srs三维成像方法依赖于光学拍频技术或光学投影断层成像技术，这需要采集数百张空间编码的投影图像进行后处理，降低了三维成像速度。并且在投影图像采集过程中，样本的移动会导致三维重构时产生运动伪影，影响成像质量。
光脉冲的时间飞行法是一种无需后处理即可直接测量三维空间距离的技术。然而，传统的时间飞行方法基于测量回波时间，受到脉冲空间长度和探测器时间分辨率的限制（δz≈c×t，t=10 皮秒（ps）），其空间分辨率在毫米量级。为了将时间飞行测量的分辨率提升到显微成像需要的微米量级，本工作提出间接测量飞行时间法：在非线性光学过程测量两个具有不同群速度的光脉冲之间的相互作用，并降低光脉冲的群速度以缩短脉冲空间长度。在这种条件下，时间分辨率取决于光的脉冲宽度（约100 飞秒（fs））。因此，飞行时间测量能够使用常规的光电探测器（例如光电二极管、光电倍增管）而不需要使用昂贵的超快探测器（例如条纹相机），就能实现相对飞行时间的测量。目前关于脉冲贝塞尔光的文献报道中，其使用ps激光器产生了群速度为0.7c，对应的脉冲空间长度仍在百微米量级，无法用于生物细胞和组织的高分辨率成像。
研究亮点
为了突破现有技术瓶颈，研究团队开发了一种新型基于飞行时间可分辨贝塞尔光子弹的受激拉曼散射（b2-srs）显微成像技术，实现了更深组织快速三维化学成像。本项工作提出了一种独特的角色散控制方案，仅使用角锥透镜和一个空间光调制器同时将泵浦和斯托克斯光束脉冲转换为超慢贝塞尔光子弹，并且两束贝塞尔光子弹的群速度可以通过改变相位调制实现独立的时空调控。更引人注目的特点是：本项工作在生物样本中产生了沿轴向反向传输的超慢泵浦和斯托克斯贝塞尔光子弹，其群速度仅为光速的十分之一，空间长度也缩短到微米级的尺寸，非常适合显微镜成像。因此，通过控制两束贝塞尔光子弹在生物样品内部相遇的深度，操控它们的相对飞行时间或者相对飞行速度，即可快速获得深度可分辨的srs信号，无需机械轴向扫描。
图1、飞行时间可分辨贝塞尔光子弹的受激拉曼散射（b2-srs）三维显微成像的工作原理
为了产生fs脉冲的超慢贝塞尔光子弹，该团队设计了简单而高效的角色散调控方案。角锥透镜先进行波前调制，空间光调制器上显示的相位图案由两个具有不同光栅周期和相反光栅角度的环形光栅组成，分别用于泵浦和斯托克斯光束脉冲产生相反的角色散，从而实现正向传输的斯托克斯贝塞尔光子弹（群速度为0.1c）和反向传输的泵浦贝塞尔光子弹（群速度为-0.1c）。由于锥透镜和空间光调制器的调控都是轴向对称的，因此可以产生高品质的超慢贝塞尔光子弹并应用于高分辨组织成像。
图2、角色散调控装置
团队展示了贝塞尔光子弹用于受激拉曼散射（b2-srs）显微技术在深层脑组织三维化学成像中的优势。在相对较浅的组织区域（如 z<50 μm），b2-srs和c-srs均能产生高信噪比的srs信号。然而，随着成像深度增加（如 z>100 μm），srs信号仅在b2-srs图像中清晰可见，而在c-srs图像中几乎无法检测到。因此，与传统的srs成像相比，b2-srs技术在大脑组织成像中的穿透深度提高了两倍以上，展示了其在混浊介质中的显著的抗散射特性。
图3、b2-srs和传统srs（c-srs）脑组织三维成像对比（拉曼峰为2935 cm-1）
展望
本工作将贝塞尔光子弹用于受激拉曼散射（b2-srs）显微技术，其独特之处在于通过产生反向传输超慢贝塞尔光弹和调控两个具有不同群速度的光脉冲之间的非线性光学相互作用过程的测量。srs信号发生的深度信息可以通过改变两个贝塞尔光弹的相对速度或相对飞行时间进行控制。基于飞行时间的b2-srs技术的空间分辨率比传统激光雷达的毫米级分辨率提高至少三个数量级。这种技术克服了传统srs显微镜在深层组织成像中的局限，能够在无标记条件下实现快速高分辨率的三维化学成像。本工作方法能够广泛推广到其他非线性成像模式和时空光脉冲调控领域，极大地拓宽了生物医学系统及其他领域先进三维显微成像技术的发展。（来源：lightscienceapplications微信公众号）
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