本文介绍的是伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（University of Illinois Urbana-Champaign, Urbana）Stephen A. Boppart教授课题组提出的基于光学参量放大的非线性光学成像检测方法，发表在《Journal of Innovative Optical Health Sciences》期刊2023年第1期。

Nonlinear optical imaging by detection with optical parametric amplification (invited paper)

基于光学参量放大的非线性光学成像检测方法

Yi Sun, Haohua Tu and Stephen A. Boppart

研究背景

在非线性光学成像系统中，除了超快激光器和高数值孔径物镜所提供的高光功率外，非线性光学现象的产生还取决于样品特性。与标记剂产生的光学信号相比，来自生物医学样品的无标记非线性光学信号弱了几个数量级，不能使用摄像头传感器或光电二极管作进行检测，而光电倍增管（photomultiplier tubes, PMT）检测也受到近红外区的灵敏度低、环境光干扰的限制。为了突破环境光下成像的限制，通过光谱过滤窄带非线性光学成像信号、通过对成像信号进行数字调制并提取、通过外差法检测是三种可行的方法，但都有一定的局限性。

内容简介

本文提出并演示了一种基于光学参数放大（optical parametric amplification, OPA）的光学成像检测方法，通过相干性门控拒绝环境光的光子。本研究中使用了周期性极化铌酸锂（periodical poled lithium niobate, PPLN）晶体作为OPA的介质。与块状非线性光学晶体相比，PPLN晶体支持以较低的泵浦功率产生OPA信号，在使用高重复率的激光器时，有利于高速光学信号的检测。本研究建立了基于PPLN的OPA系统，用于放大二次谐波发生（second harmonic generation, SHG）和相干反斯托克斯拉曼散射（coherent anti-Stokes Raman scattering, CARS）显微镜成像的发射成像信号，并且被放大的光信号足够强，可被偏置光电二极管检测到。通过OPA检测，能够进行环境光下的SHG和CARS成像，并在严格黑暗环境下达到了与PMT检测类似的结果。这些结果表明，在非线性光学成像中，OPA可以作为PMT的替代品完成复杂照明条件下的各种应用。

图文导读

1.OPA检测的非线性成像系统

图1：OPA检测的非线性成像系统的示意图。(a) SHG-OPA显微镜。(b) CARS-OPA显微镜。每个系统中的波长用不同的线条颜色表示，并在每个系统左侧的图例中注明。 λ∕2：半波板。BS，分束器；DL，延迟线；DM，分色镜；FLT：滤光片；NDF，中性密度滤光片；OBJ，物镜；PM，棱镜。

在SHG-OPA系统中，光子晶体光纤（photoniccrystalfiber,PCF）可调谐激光器被用作成像和OPA元件的激光源。在系统的激发部分，PPLN1将聚焦的1030nm激光输出作为泵浦，通过光学参数生成过程产生SHG显微镜成像的激发信号。通过光谱抗反射涂层和温度调整，如果使用1030nm的泵，PPLN1的OPA信号输出范围为1460nm至2060nm。在系统的放大部分，另一种类型的PPLN被称为PPLN2，用于放大成像发射信号。PPLN1和PPLN2的主要区别是它们的极化周期的长度。旨在放大可见光和近红外波长，PPLN2的极化周期较短（6-8.36μm）比PPLN1（29.52-31.59μm）。

2.通过OPA进行环境光SHG成像

图2：OPA和PMT检测的图像的比较，这些图像取自（（a），（d））土豆片，（（b），（e）鸡腱，和（（c），（f））大鼠乳腺组织的同一图像部位。图像信噪比列在下方。

为了反映实际的信号强度和信噪比，图2中的图像强度没有被归一化。OPA检测的土豆片和鸡腱的图像的信噪比达到了PMT检测的图像的水平。然而，由于缺乏大面积的相对均匀的信号和背景，从大鼠乳腺组织采集的图像中很难计算出信噪比。尽管如此，两种图像检测方法都对乳腺组织的纤维结构进行了清晰显示，且细节数量相似。

3.不同检测方法下SHG成像的深度分辨图像比较

图3：使用(a)-(d)OPA和(e)-(h)PMT检测对鸡腱组织进行深度分辨成像。

使用OPA采集的图像与使用PMT采集的图像具有相似的图像质量和可视化的图像特征。在深度更深的位置，OPA检测到的图像信噪比与PMT检测到的相差更大。在严格的黑暗环境中操作，PMT的图像性能略优于OPA，而OPA在环境光下的图像采集中具有绝对的优势，且不会大幅牺牲图像信噪比。

4.通过OPA进行环境光照射的CARS成像

图4：从猪脂肪组织的同一成像点采集的CARS图像，（a）PMT检测使用18mW泵浦光束和12mW斯托克斯光束，（b）OPA检测使用30mW泵浦光束和16mW斯托克斯光束，没有环境光存在，和（b）OPA检测使用30mW泵浦光束和16mW斯托克斯光束，有环境光存在。

由OPA收集的两幅图像在有环境光和没有环境光的情况下非常相似，表明环境光对OPA检测的影响可以忽略不计。在使用PMT检测时打开任何环境光都会导致PMT的饱和，甚至图像结果损坏。OPA检测需要稍高的泵浦功率（30mW）和斯托克斯功率（16mW），以达到与PMT检测类似的图像信噪比，PMT检测使用18mW泵浦功率和12mW斯托克斯功率。

5.不同检测方法下CARS成像深度分辨图像比较

图5：由OPA（上行）和PMT（下行）检测的猪脂肪组织的深度分辨成像。图像信噪比列在下方。OPA检测的CARS图像在超过160μm时不再显示任何组织特征。

PMT检测可以将组织特征显示到240μm深度处，而OPA检测在超过160μm深度后则不再显示任何特征。两种检测方法的图像信噪比在较浅的深度是相似的，但OPA检测的图像信噪比随着图像深度的增加而迅速下降。这与OPA检测的SHG的深度分辨成像结果类似。与较浅深度的弹道成像光子相比，来自较深组织区域的散射光子携带更广泛的相位延迟，因此不能被OPA过程有效放大。

6. OPA系统转换效率影响因素

图6：（a）31μm和（b）6μm的PPLN通道显微图像。比例尺适用于两个显微镜图像。在6μmPPLN通道的缺陷由黑色箭头指出。

本研究中使用的PPLN晶体依赖于较短的泵浦波长515nm，需要较短的极化周期，约6μm。极化周期相当小的差异带来了巨大的制造挑战，导致极化结构中出现了许多缺陷，从而影响了基于PPLN的OPA系统的转换效率。

通讯作者简介

Stephen A. Boppart，美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（University of Illinois Urbana-Champaign, Urbana）电子与计算机工程系和生物工程系教授，葛兰素史克光学分子成像中心（GSK Center for Optical Molecular Imaging）和NIH/NIBIB P41无标签成像和多尺度生物光子学中心（NIH/NIBIB P41 Center for Label-free Imaging and Multi-scale Biophotonics）、贝克曼先进科学技术研究所（Beckman Institute for Advanced Science and Technology）主任。撰写了450多篇期刊论文，进行了900多场学术报告，拥有50多项专利。研究方向包括应用于生物和医学领域的光学成像技术，强调这些技术的临床应用和转化。IEEE、AAAS、OSA、SPIE、AIMBE、IAMBE和BMES的会员，美国国家发明家协会的成员。被麻省理工学院的《技术评论》（Technology Review）杂志评为世界100名最佳创新者之一。曾获得IEEE医学和生物学工程学会早期职业成就奖和IEEE技术奖。