基于光纤中超短脉冲非线性传输机理与特定光谱选择技术的多波长飞秒激光的产生

高集成、高可靠性宽调谐飞秒激光源在超快光谱学、量子光学及生物成像等研究与应用领域具有重要价值.如在生物多光子显微成像中,具有适中能量的宽调谐飞秒激光源不仅可满足多种生物组织荧光激发所需的峰值功率与激发波长,而且也可以显著提升非线性荧光产生效率、成像分辨率以及增大成像穿透深度.采用自主研发的高可靠性全保偏光纤飞秒激光器作为抽运源,基于低色散光纤中高峰值功率飞秒激光脉冲非线性传输引起的光谱加宽机制,本文开展了多波长全光纤飞秒激光产生技术研究.通过采用中心波长在980, 1000,1050, 1070与1100 nm的带通滤波片选择性地对单模光纤输出光谱中最左边与最右边光谱旁瓣进行滤波,在上述中心波长处分别可获得203, 195, 196, 187与194 fs的激光输出.本文提出的基于全光纤飞秒激光脉冲在单模光纤中非线性传输引起的光谱加宽机制与特定光谱选择技术的实验方案为高集成、高可靠性宽调谐飞秒激光源的实现提供了新的研究途径.     

多色双光子激发荧光显微技术实验研究

双光子激发荧光(two-photon excited fluorescence, TPEF)显微是一种非线性光学显微技术, 具有高的时间分辨率和空间分辨率、高的信噪比和固有的三维层析分辨能力等优点. 传统的TPEF显微一般采用波长可调谐的超短脉冲激光器作为光源. 在实际应用中, 利用TPEF显微技术研究含有多种荧光团或未知成分的待测样品, 往往需要多次改变激发光的波长以获得对各种荧光团的最佳激发. 为了同时获取不同荧光团的荧光信号, 利用超连续谱激光光源实现了多色TPEF显微成像, 实验中无需调节波长, 能够同时获得具有两种不同发射波长的荧光标记的铃兰根茎切片样品的TPEF图像. 实验结果表明, 与传统的TPEF显微相比, 该方法能够同时获取含有多种荧光团的待测样品的高对比度TPEF图像, 具有系统结构简单、操作简便、信息量大等优点, 在生物医学和材料科学等领域具有广阔的应用前景.     

不同荧光波长的双光子共焦成像分析

研究了双光子共焦显微镜中不同荧光波长对成像特性的影响,导出了不同荧光波长的三维脉冲响应函数和三维光学传递函数并进行数值计算.研究结果表明：不同荧光波长对双光子共焦显微镜的三维光学传递函数、三维脉冲响应函数和空间截止频率产生明显的影响,随着荧光波长的增大,分辨率明显下降,但不会出现单光子共焦显微镜中的失锥现象,选取适当的荧光波长进行成像,有利于进一步改善图像分辨率和成像质量.     

基于单晶体的可调谐参量超荧光的产生

研究了一种基于单晶体的可调谐超荧光产生机理，在一个偏硼酸钡(BBO)晶体中实现了飞秒脉冲倍频过程和光参量产生过程.实验中采用kHz高功率钛宝石激光系统输出的飞秒脉冲光倍频后的蓝光作为抽运光，获得了可调谐范围为480—530 nm参量超荧光光谱输出.理论上分析了这种超荧光产生机理，并利用放大传递函数模拟出参量超荧光环的产生过程.结果表明，在一个BBO晶体中，当抽运光源输出光入射晶体角度同时满足倍频相位匹配角和非共线光参量产生相位匹配角时可产生参量超荧光环，通过微调相位匹配角可控制参量超荧光光谱调谐输出.该理论和实验研究为控制参量超荧光和量子纠缠态的产生提供了理论依据，对于量子成像和量子通讯等领域的发展具有重要意义.     

基于瞬态光栅频率分辨光学开关法测量飞秒脉冲的研究

超宽光谱的飞秒脉冲测量一直是超快激光领域的重要研究方向之一.常规的飞秒脉冲自相关方法是通过测量自相关倍频信号来获得,而倍频信号具有波长选择性,不同中心波长的飞秒脉冲测量需要更换不同的倍频晶体,十分不方便.因此,提出了一种改进型的瞬态光栅频率分辨光学开关(TG-FROG)方法用于测量飞秒脉冲.该方法结合四波混频和频率分辨光学开关方法,其基本过程是将待测脉冲分为三束,其中两束脉冲经过精密的延时控制并聚焦在光学介质上达到时空重合,利用三阶非线性效应产生稳定的瞬态光栅作为开关光;另一束脉冲作为探测光与产生的瞬态光栅进行相互作用产生一个信号光,使用光谱仪对该信号光的光谱与延迟时间进行测量,并通过反演迭代算法处理而获取待测飞秒脉冲的光谱与电场信息.该方法只需要待测光的功率密度达到三阶非线性效应就可以实现测量,因此可以应用于任意中心波长的飞秒脉冲测量.利用该方法对中心波长分别为800 nm, 400 nm的飞秒脉冲,以及超连续亚10 fs的周期量级超宽光谱飞秒脉冲进行了测量,并与常规的干涉自相关仪器测量结果进行了比较,所得测量结果基本一致.实验结果表明,建立的基于TG-FROG方法对不同中心波长,不同脉冲宽度的飞秒脉冲测量是十分有效的.     

硒化镉载流子的超快动力学研究

硒化镉是一种可用于X射线全光分幅相机和全光条纹相机的重要探测材料。用基于相位物体的泵浦探测方式,研究了硒化镉在1030nm波长,飞秒脉冲下的载流子超快动力学和非线性光学特性。得到了双光子吸收系数、载流子吸收截面、载流子复合时间等参数。实验表明,硒化镉载流子的动力学和非线性特性是由束缚电子和载流子共同决定的。束缚电子的克尔效应和双光子激发都是瞬态的,而载流子复合持续了较长时间。这些参数和载流子图像的的获得,为X射线超快探测器件的设计和改进提供了参考。     

Ba1-xB2-y-zO4SixAlyGaz晶体和频可调谐深紫外飞秒激光器

介绍了一种基于新型非线性晶体Ba_1-xB_2-y-zO₄Si_xAl_yGa_z 的可调谐深紫外飞秒激光光源. 从理论上分析了基频光和倍频光在通过非线性晶体时所造成的空间走离和群速度失配, 为了补偿空间走离以及波长调谐过程中晶体折射造成的光束偏离现象, 将两块相同的倍频晶体成镜像放置来产生二次谐波. 并调节延迟线的长度来补偿基频光和倍频光之间的群速度失配, 从而提高和频转换效率. 然后通过和频方式进行三倍频和四倍频来突破晶体相位匹配条件的限制, 产生了波长低于200 nm的深紫外飞秒激光. 利用钛宝石激光器提供基频光光源, 最终在250–300 nm, 192.5–210 nm 范围内获得了高重频、可调谐超短脉冲紫外和深紫外激光. 并在基频光波长为800 nm时, 得到的二倍频、三倍频和四倍频的功率分别为1.28 W, 194 mW和5.8 mW, 相对于前一级的转换效率依次为46.14%, 15.16%和3%. 采用互相关法测量得到266.7 nm紫外激光的脉冲宽度约为640.4 fs.     

高功率高重复频率多波长飞秒激光系统的研究

以大模场面积光子晶体光纤飞秒激光系统为基频光源,利用非线性频率上转换的方法,获得了高功率高重复频率多波长的飞秒激光脉冲.理论分析并实验验证了聚焦透镜的焦距对倍频光横向模场分布的影响,透镜焦距越长,模场质量越好.在基频光平均功率为218 W,脉冲宽度为110 fs,重复频率为50 MHz的条件下,经过二倍频、三倍频和四倍频获得波长分别为520,347和261 nm的飞秒激光,其平均功率分别达105,47和214 W.二倍频和三倍频的转换效率分别为482%和216%,二倍频到四倍频的转换效率为20 关键词： 超快光学 紫外飞秒激光 频率上转换 光子晶体光纤激光器     

脉冲压缩在双光子荧光显微成像中的应用研究

本刊讯自20世纪90年代末,双光子荧光显微成像技术已经逐步成为利用光学手段研究生物组织和细胞的重要工具。由于双光子激发属于非线性光学过程,     

双光子激发荧光成像技术对小鼠植入前胚胎的实时观测

双光子激发的蓝移效应可使利用同一束超快激光同时激发多种不同荧光特性的生物荧光染料的设想得以实现。选取锁模飞秒掺钛蓝宝石(Ti-sapphire)激光器输出的730nm激光,分别激发Hoechst33342,Fluo-4,PI和Indo-1四种常用生物荧光染料,分别利用(455±15)nm,(540±15)nm,(580±16)nm和(500±15)nm四种滤光片获得特异性荧光图像。结合双光子激发荧光成像技术穿透深,光损伤小,信噪比好等优势,选取合适的荧光染料组,应用单束激光激发、双染双通道成像方法,对小鼠植入前胚胎内细胞中的钙信号和染色体进行三维、四维实时成像,为探究小鼠植入前胚胎发育规律提供一种全新的多参数观测手段。     

覆盖可见光波长的掺Er光纤飞秒光学频率梳

飞秒光学频率梳波长覆盖范围向可见光波长扩展对于碘稳频激光的绝对频率测量以及光钟研究中钟激光的绝对频率测量都具有十分重要的意义. 本文在自行研制掺Er光纤飞秒光学频率梳的基础上, 采用放大-倍频-扩谱的方案, 实现了激光输出波长向可见光波长的扩展. 掺Er光纤飞秒光学频率梳输出的一部分光激光脉冲, 功率约为8 mW, 首先经掺Er光纤放大器将功率提高到531 mW, 此后利用MgO: PPLN晶体倍频, 倍频后激光的功率为170 mW, 倍频效率为32%, 脉冲宽度为85 fs. 倍频后的激光通过光子晶体光纤进行光谱展宽. 通过优化入射光偏振状态可以实现波长覆盖500-1000 nm, 输出功率为85 mW, 耦合效率为50%. 采用小型化碘稳频532 nm Nd: YAG激光器输出激光与光学频率梳光谱展宽后的激光进行拍频可以获得30 dB的拍频信号. 覆盖可见光波长的掺Er光纤飞秒光学频率梳为可见光范围内激光的绝对频率测量提供了技术手段.     

金纳米棒标记HepG2人肝癌细胞的荧光成像及其AFM探测

金纳米棒具有独特的光学性质,在生物医学领域有着广泛而重要的应用前景.本文制备了长径比为8∶1的金纳米棒,其在480 nm波长激发下,在560 nm和707 nm波长处有两个荧光发射峰.基于金纳米棒的荧光性质,将其标记于HepG2人肝癌细胞表面,利用激光扫描共聚焦显微镜对标记后的细胞进行荧光成像.在488 nm激发下,获...     

高效、高峰值功率蓝光飞秒脉冲产生研究

分析计算了利用棱镜组引进频谱空间啁啾来补偿谐波倍频晶体的相位失配.结果表明,光谱 存在空间啁啾时,选择合适的透镜可在一定程度上补偿由于飞秒光脉冲的宽谱带引起的相位失配.采用此方法在实验上用自制的飞秒自锁模钛宝石激光器和BBO倍频晶体进行了二次谐波 倍频的研究,结果产生倍频蓝光的转换效率高达63%,蓝光平均输出功率达320mW,中心波长 为420nm,光谱带宽达5.5nm,可支持33.6fs的光脉冲.利用钛宝石激光器中的棱镜对进行波 长调谐,可使蓝光脉冲产生404—420nm的调谐范围. 关键词： 飞秒蓝光脉冲 空间啁啾补偿 二次谐波产生 转换效率     

水溶性CdTe量子点的稳态和纳秒时间分辨光致发光光谱

报道了以飞秒脉冲激光为激发光源的水溶性CdTe量子点(QDs)的稳态荧光光谱和纳秒时间分辨荧光光谱.实验发现CdTe量子点的荧光光谱峰值位置随激发波长变化发生明显移动，激发脉冲波长越长，荧光峰位红移越大.荧光动力学实验数据显示，在400nm和800nm脉冲激光激发下，水溶性CdTe量子点的荧光光谱中均含有激子态和诱捕态两个衰减成分，两者的发射峰相距很近，诱捕态的发射峰波长较长.在800nm脉冲激光激发下的诱捕态成分占总荧光强度的比重比400nm激发下的约高3倍，其相对强度的这种变化导致了稳态荧光发射峰位的红移. 关键词： CdTe 量子点 时间分辨 荧光光谱 上转换荧光     

基于声光偏转的高速GHz超快激光扫描技术

双光子激发显微镜是研究脑神经元活动的重要工具。基于传统机械式逐点激光扫描技术的双光子激发显微镜成像速度较慢,无法进行脑神经元活动的实时观察研究。此外,高速双光子激发显微成像需要配置高重复频率飞秒激光,以保证在较短的像素停留时间内获得较高的信息强度。本文提出了基于声光偏转的并行GHz超快激光扫描技术,通过设计射频编码方案,在920 nm波段搭建了高速GHz超快激光扫描系统。通过调整时间和空间重合,最终在15～31 MHz频率范围内获得了33个可分辨的并行GHz超快激光扫描光束,为实现高速双光子激发显微成像提供了技术支撑。     

有机染料CSPI的双光子吸收和上转换荧光性质

报道了一种有机染料Trans 4 [p carbazol 9 ylstyryl] ] N methylpyridiniumiodide的线性和非线性光学性质。当用 830nm皮秒激光激发时 ,可以得到强烈的黄绿色上转换荧光 ,中心波长在 538nm附近。该染料的双光子荧光寿命为 95 .6ps。测试了该染料在 72 0～ 1 0 50nm的非线性透过率 ,并求出了该染料在上述波长时的双光子吸收截面。双光子吸收最强在 80 0nm ,吸收截面为 9.2× 1 0 - 48cm4 ·s/ photon。     

OH分子示踪法用于气态流场速度测量

研制了一套单线羟基(OH)分子标记示踪流场速度测量系统,OH分子标记线由193 nm波长脉冲氟化氩(ArF)准分子激光柬解离流场中的水分子产生,利用脉冲染料激光倍频的约282 nm激光片显示OH分子荧光图像,由获得的两个时间关联的OH分子标记线位置图像计算流场的速度分布.研究了空气和火焰中193 nm波长激光解离水产生的OH分子寿命,实现了常温空气流场和高温超音速流场速度分布的测量,并对测量结果进行了分析讨论.     

DHL细胞中5-ALA代谢PpIX的双光子荧光光谱

双光子激发生物组织荧光,激发光仅作用于焦点区域,对生物样品的光漂白性和光毒性都很小,因而双光子荧光显微技术已成为细胞生物学研究的一种新技术。文章采用波长为820 nm飞秒激光激发孵育有5-ALA的DHL细胞,在激光扫描显微镜的Lambda模式中获得单个DHL细胞的双光子荧光光谱,并测量DHL细胞内积聚的卟啉九(PpIX)特征荧光值。获得了浓度分别为2, 4和10 mmol·L-1的5-ALA溶液中,细胞代谢的PpIX含量随孵育时间的变化情况。DHL细胞内积聚的PpIX处于动态变化过程,并呈现出两阶段性的特点：细胞内积聚的PpIX含量随着孵育时间增长而增加,在3 h附近达到最大值,随后随着孵育时间增长反而下降。结果表明,基于激光扫描显微的双光子荧光光谱可成为DHL细胞等白血病细胞摄取5-ALA并生成PpIX的动力学研究的有效方法。     

低强度飞秒激光激发下CdTe和CdTe/CdS核壳量子点的荧光上转换研究

利用400 nm和800 nm不同波长的低强度飞秒激光,对CdTe和CdTe/CdS核壳量子点溶胶进行激发,研究其稳态和时间分辨荧光性质.800 nm飞秒激光激发下,CdTe和CdTe/CdS核壳量子点产生上转换发光现象,上转换荧光峰与400 nm激发下的荧光峰相比蓝移最多达15 nm,而且蓝移值与荧光量子产率有关.变功率激发确认激发光功率与上转换荧光强度间满足二次方关系,时间分辨荧光的研究表明荧光动力学曲线服从双e指数衰减.提出表面态辅助的双光子吸收模型是低激发强度上转换发光的主要机理.CdTe和CdT 关键词： CdTe量子点 CdTe/CdS核壳量子点 时间分辨荧光 上转换荧光     

光学移频超分辨成像技术进展

光学显微镜具有无损、样品友好、速度快等优点,一直是人类探索微观世界的主要手段。但是,由于受到衍射极限限制,长期以来,光学成像系统的分辨率最高仅能达到可见光半波长量级,逐渐成为科学技术发展的桎梏。对于荧光标记样品,可以利用荧光超分辨光学显微成像技术打破光学衍射极限,填补电子显微镜(约为1 nm)和普通可见光学显微镜(200~250 nm)之间的空缺。然而,对于大多数样品特别是非荧光标记样品而言,利用现有技术进行超分辨成像依旧存在相当难度。近年来,科研人员从合成孔径成像原理出发,提出了光学移频超分辨成像方法,开辟了光学超分辨成像的新思路。光学移频超分辨成像不拘泥于荧光非线性效应的限制,兼具非荧光标记样品以及荧光标记样品的超分辨成像能力,而且因为其成像速度快、样品普适性高和光毒性低等优点,在材料学、生物学和医学等领域展现了很好的应用前景。本文从原理和方法上详细综述了移频超分辨光学显微成像技术,并对未来发展方向进行了评述和展望。