光纖是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)臨床應(yīng)用中的重要工具，可以在最小侵入程度的條件下進(jìn)入狹小空間，向特定區(qū)域傳輸激發(fā)光并收集光信號，實(shí)現(xiàn)顯微成像；同時(shí)，光纖探針也可直接用作外科手術(shù)工具。將非線性光學(xué)成像與光纖傳輸相結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)更加高效的內(nèi)窺成像。本期介紹兩個(gè)基于梯度折射率多模光纖的非線性光學(xué)內(nèi)窺鏡系統(tǒng)。

第一個(gè)系統(tǒng)將雙光子（TPEF）成像系統(tǒng)與飛秒激光消融手術(shù)（FLA）集成于同一個(gè)光纖探針。如圖1所示，中心波長在1030nm的光纖激光在PBS處分為照明光束和參考光束。照明光束部分放置了空間光調(diào)制器（SLM），并將調(diào)制平面成像到光纖的輸入端。光纖另一端利用透鏡對將光纖的輸出成像到CMOS的探測陣列上。調(diào)節(jié)不同波前輸入并記錄輸出，計(jì)算出傳輸矩陣（TM），就可以在遠(yuǎn)端用SLM控制輸出光斑。剩余的光路部分用于研究聚焦后光束的性質(zhì)，檢驗(yàn)是否勝任FLA手術(shù)脈沖傳輸。脈寬通過雙光子干涉自相關(guān)儀來測量，光路中放置翻折鏡，用來切換操作區(qū)域的明場成像。雙光子熒光信號收集利用雙色鏡同步進(jìn)行，通過透鏡聚焦到PMT，成像結(jié)果用于引導(dǎo)手術(shù)操作。

利用上述系統(tǒng)測試了兩種梯度折射率（GRIN）光纖，芯徑分別是200um和400um。實(shí)驗(yàn)測量了三種不同脈寬下的聚焦效率以及焦點(diǎn)處峰值強(qiáng)度隨輸入能量的變化，兩種光纖的最大聚焦效率都在28％左右，考慮到測量條件限制，已經(jīng)接近最優(yōu)狀態(tài)。

系統(tǒng)中遠(yuǎn)端的聚焦則基于測量傳輸矩陣，但是當(dāng)脈沖能量超過臨界值時(shí)，會產(chǎn)生非線性效應(yīng)，使得通過傳輸矩陣實(shí)現(xiàn)的光束掃描質(zhì)量下降。為減少非線性積累，作者在后續(xù)成像中選用了長度為10cm、芯徑為400um的GRIN光纖，焦點(diǎn)尺寸為2．3 μm，視場大于200 μm。

此外，全系統(tǒng)無透鏡聚焦、無機(jī)械掃描，探頭尺寸在200 ～ 400 μm。隨后作者對小鼠耳蝸樣本進(jìn)行了FLA與TPF的成像實(shí)驗(yàn)。圖2為染色后的小鼠耳蝸毛細(xì)胞的雙光子成像結(jié)果，b為黃框部分放大圖，c為選擇性消融掉了一個(gè)細(xì)胞后的對比圖，消融可以發(fā)生在7×7um2的區(qū)域，而不影響相鄰細(xì)胞的熒光信號。

第二個(gè)系統(tǒng)是基于GRIN光纖的相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）顯微鏡。CARS在組織形態(tài)成像的基礎(chǔ)上還增加了化學(xué)對比成像，特別適合于區(qū)分細(xì)胞中脂肪、蛋白質(zhì)等成分。

如圖3所示，光源采用波長在830－820nm的藍(lán)寶石激光器，一部分用來泵浦OPO，產(chǎn)生661－668nm的泵浦光，另一部分作為斯托克斯光。經(jīng)由延時(shí)裝置和雙色鏡使兩束光時(shí)空重合，后經(jīng)一組消色差透鏡擴(kuò)束進(jìn)入SLM。波前控制的光路與前一系統(tǒng)一致，但增加了D形鏡及偏振控制單元來完全控制輸入光的偏振，對傳輸矩陣求解更完備，可提高激發(fā)光的利用率。

光路中利用LED和相機(jī)獲得明場成像以便定位樣品。樣品產(chǎn)生的CARS信號既可以前向收集，也可以背向收集。所用GRIN光纖的芯徑為50um，包層為125um，NA為0．29，長度控制在30－35mm。在泵浦波長和斯托克斯波長下，纖芯中心附近形成的光斑的半高寬分別為1．23和1．55 um。

2umPS珠子團(tuán)簇正向及背向CARS成像的結(jié)果，前向傳輸信號比背向強(qiáng)50倍，但背向收集信號依然可以成像并定位2um珠子位置信息。圖（d－g）顯示了在兩種物質(zhì)的峰值頻移處分別測量的結(jié)果，組合圖在同一幅圖中獲得了兩種珠子的位置信息。

總之，本期介紹了兩個(gè)基于GRIN多模光纖的非線性光學(xué)內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，均采用波前調(diào)制來完成無光學(xué)及機(jī)械元件的遠(yuǎn)端掃描及聚焦，最終實(shí)現(xiàn)了生物樣本中的高分辨內(nèi)窺成像，對搭建應(yīng)用于生醫(yī)方向的多光子小型化顯微鏡具有借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

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