利用现有飞秒激光器的用于三光子显微镜的微焦耳放大器系统

相关申请的交叉参引

本申请要求于2018年10月5日提交的美国临时专利申请No.62/741,930的权益，该美国临时专利申请No.62/741,930的公开内容和全部方案在此通过参引并入本文。

技术领域

本发明总体上涉及用于多光子显微镜的放大器系统，并且更具体地涉及用于三光子显微镜的微焦耳放大器系统，该微焦耳放大器系统利用用于双光子显微镜的现有飞秒激光器作为种子源。

背景技术

在生命科学中，荧光显微镜用于研究生物样品如单个细胞或者研究复杂结构(例如脑)。这些样品中的散射限制了成像深度。通常事实是，具有较长波长的光在组织中散射较少，因此允许其更深地穿透到例如脑中。双光子(2p)显微镜利用这一点，并且允许成像到例如脑中约1mm深。在双光子显微镜中，激发荧光团或荧光蛋白所需的波长与例如在共焦显微镜中使用的单光子激发相比加倍。三光子(3p)显微镜通过使用甚至更长波长的光而进一步采取该方法一个步骤。从单光子激发到双光子激发到三光子激发的缺点是这种事件发生的概率变得越来越小，并且因此需要更大的激光强度。对于3p显微镜，需要产生兆瓦峰值功率的μJ激光脉冲。能够产生这些峰值功率电平的系统是昂贵的并且以低重复率操作。

然而，除了3p成像能力之外，大多数科学家还需要进行2光子成像的能力，以便以高帧速率获取图像来捕获动态过程。仅当它们需要深入到样品中时才需要3p。2p激光器是大多数神经科学实验室中的工作主力。本公开背后的发明构思是生产一种可以与普遍存在的2p光源结合使用以产生μJ状态的光脉冲的装置。

发明内容

本文公开了一种生产附加装置的想法，该附加装置将广泛使用的用于2p显微镜的高重复率激光器转换成可以用于3p显微镜的光源。附加件包括这样的装置，即：该装置用以将高重复率(>50MHz)激光源(激光器或OPO)的脉冲重复率降低到小于10MHz，这允许更高的脉冲能量同时保持合理的平均功率。如果高重复源在1250nm以下操作，则附加件在放大之前将种子光移位或加宽以覆盖1.3μm至1.8μm。如果高重复率源以1.3μm或约1.3μm操作，则附加件可能仅需要在下调重复率之后放大脉冲。在另一实施方案中，附加件在放大之前将1.3μm光移位或加宽以覆盖外至1.8μm的光谱范围。

这里的新颖性在于，该附加系统将通用的2p激光系统转换成3p激光系统，从而为客户提供独特的价值，这是因为客户可以享受这两种技术的好处。

在一个实施方式中，本发明提供了一种放大器系统，该放大器系统包括：光参量振荡器(OPO)，该光参量振荡器(OPO)产生具有第一重复率的光脉冲；脉冲拾取装置，该脉冲拾取装置配置成将脉冲从第一重复率减小至第二重复率；脉冲展宽模块，该脉冲展宽模块配置成增加来自脉冲拾取装置的脉冲的脉冲持续时间；放大器，该放大器配置成向较长持续时间脉冲提供增益；以及脉冲压缩模块，该脉冲压缩模块配置成减小放大脉冲的脉冲持续时间。

在一个实施方式中，本发明提供了一种放大器系统，该放大器系统包括：飞秒激光器，该飞秒激光器输出具有第一重复率的光脉冲；波长移位模块，该波长移位模块配置成对光脉冲的波长进行移位或加宽；脉冲拾取装置，该脉冲拾取装置配置成将脉冲从第一重复率减小至第二重复率；脉冲展宽模块，该脉冲展宽模块配置成增加来自脉冲拾取装置的脉冲的脉冲持续时间；放大器，该放大器配置成向较长持续时间脉冲提供增益；以及脉冲压缩模块，该脉冲压缩模块配置成减小放大脉冲的脉冲持续时间。

附图说明

图1是根据本发明的实施方式的放大器系统的框图。

图2是根据本发明的另一实施方式的放大器系统的框图。

具体实施方式

根据本发明的原理的说明性实施方式的描述旨在结合附图来阅读，这些附图被认为是整个书面描述的一部分。在本文所公开的本发明的各实施方式的描述中，对方向或取向的任何引用仅是为了便于描述，而非以任何方式限制本发明的范围。诸如“下部”、“上部”、“水平”、“竖直”、“上方”、“下方”、“向上”、“向下”、“顶部”和“底部”及其派生词(例如，“水平地”、“向下地”、“向上地”等)的相对术语应当被解释为指代如随后所描述的或如所论述的附图中所示的取向。这些相对术语仅是为了便于描述，并且不要求设备以特定取向构造或操作，除非明确地如此指示。术语诸如“附接”、“附着”、“连接”、“联接”、“互连”等是指其中结构通过中间结构直接或间接地彼此固定或附接的关系，以及可移动或刚性附接或关系，除非另有明确描述。此外，通过参考示例性实施方式来说明本发明的特征和益处。因此，本发明明确地不应当限于这样的示例性实施方式：其示出可以单独存在或以特征的其他组合存在的特征的一些可能的非限制性组合；本发明的范围由所附权利要求限定。

本公开描述了目前设想的实施本发明的一个最佳模式或多个最佳模式。该描述并非旨在以限制性的意义来理解，而是通过参考附图提供仅出于说明性目的而呈现的本发明的示例，以向本领域普通技术人员建议本发明的优点和构造。在附图的各个视图中，相同的附图标记表示相同或相似的零部件。

这里提出的第一个想法是使用现有的基于光学参量振荡器的高重复率(>50MHz)飞秒源作为产生微焦耳量级的脉冲能量的较低重复率放大器的种子源，较低重复率放大器能够放大几个10nm的带宽并在1250nm至1800nm之间工作。如图1所示，降低脉冲重复率的装置120安置在OPO 110与放大器140之间。该装置可以是普克尔盒或声光调制器(AOM)。脉冲拾取装置120之后是脉冲展宽模块130，该脉冲展宽模块130以可逆方式将脉冲持续时间从飞秒状态增加到皮秒(1ps至1000ps)时间尺度，以便减小激光脉冲的峰值功率。模块130之后是一个或多个放大器级140。放大器级可以基于光纤、光纤棒、块状玻璃或晶体。增益过程可以是参数的或非参数的。放大器级140之后是脉冲压缩模块150，该脉冲压缩模块150将脉冲持续时间再次减小至飞秒量级。可选的波长移位模块160可以安置在OPO 110与脉冲拾取模块120之间。

在另一实施方式中，压缩可以具有过度补偿的能力，因此输出脉冲是负啁啾的，即，较高的频率在脉冲的前沿。目的是在3p显微镜中预补偿色散。

在另一实施方式中，来自OPO的原始种子光或者在高度非线性光纤中被光谱加宽，或者在放大之前被频移以覆盖1700nm至1800nm的光谱区域。加宽可以在改变重复率之后或之前发生。

如图2所示，所提出的第二个想法是利用在1.2μm以下工作的飞秒激光器210作为μJ放大器系统的种子源。因此，高重复率源的波长需要通过波长移位模块220进行移位或加宽，以覆盖1250nm至1800nm的光谱范围。可选的前置放大器模块230可以安置在飞秒激光器210与波长移位模块220之间。加宽可能需要或可能不需要附加的前置放大。在一个实施方案中，光子晶体光纤(PCF)可以用于加宽光谱以覆盖期望的范围。脉冲拾取装置可以安置在加宽阶段之前或之后。PCF的输出可以受益于谱滤波以优化与增益谱的重叠。种子光在进入上述放大级之前可以或可以不去到脉冲展宽模块。

在另一实施方案中，高重复率源的光在用作种子脉冲之前通过如拉曼频移的非线性过程进行频移。在频移之后，光可以或可以不在进入上述放大级之前去到脉冲展宽模块。

虽然已经相对于几个所描述的实施方式以一定的长度和一定的特殊性对本发明进行了描述，但是并非意图将本发明限于任何这样的细节或实施方式或任何特定的实施方式，而是参考所附权利要求来解释本发明，以便根据现有技术提供对这样的权利要求的最广泛的可能解释，并且因此有效地涵盖本发明的预期范围。此外，前述内容根据发明人预见的各实施方式对本发明进行了描述，对于这些实施方式而言，尽管是本发明的目前未预见到的非实质性修改，仍然可以视为本发明的等同物。