天博综合app官网登录顕微镜におけるピークパワー：レトリックの解明

P_AVは天博综合app官网登录ザの平均出力、 f fはパルス缲り返し周波数、t_Pはfwhmパルス幅をそれぞれ表し天博综合app官网登录。

レーザ走查型天博综合app官网登录の场合、励起されるプローブの蛍光寿命が比较的短いため、时间平均発光は、パルスが试料に到达する速度にも依存します。この目的を达成するために、総蛍光收量は、次のようにレーザの时间平均出力とピークパワーの积として次のように表すことができます。

ここから、试料からの蛍光を増やすためにどのレーザパラメータを调整できるかを确认するのは比较的简単です。问题は、试料の生存能力、技术的有用性、コストを犠牲にすることなく、これらのパラメータすべてを自由に调整できるわけではないことです。これらのトレードオフを个别に検讨し天博综合app官网登录。

マルチフォトン天博综合app官网登录における光ダメージ

共焦点イメージングにおける光毒性と线形光ダメージに关天博综合app官网登录多くの文献や论文があるにもかかわらず、生体内および体外の mpe 法と试料の种类を対象とした、これらの动态に关天博综合app官网登录系统的かつ定量的な研究はまだ比较的少数です。

地狱ら[2]とkoenig [3] から、いくつかの优れた洞察と背景を得ることができ天博综合app官网登录。このセクションの议论の大部分は、地狱[2]，活塞[4] neher [5] を中心とするグループによる主要な研究と、 cheng [6、7] cwレーザ光源やパルス発振レーザ光源の基本波长の线吸收によって起こり天博综合app官网登录。线吸收は试料の种类と使用する波长に大きく依存し天博综合app官网登录が、试料が吸收する平均出力にのみ关系し、瞬间的なピークパワーには关系しません。たとえば、ほとんどの生体试料の大部分を占める水は、近赤外域に特异的な吸收线を持っており、一般的に1350 nm 1350 nm 以上の波长を使用すると、その吸收が顕着になり天博综合app官网登录。试料への影响としては、局所的な加热があり、最终的には试料内の水が沸腾してキャビテーションが発生し天博综合app官网登录。しかし、キャビテーションが発生するかなり前、つまり局所的な温度上升が细胞の生存可能性の限界を超えた时点でダメージが発生する可能性があることに留意する必要があり天博综合app官网登录。 hellら[8] は、线形吸水率のみによって决定される试験片の温度上升について、単纯だが说得力のある评価を行いました。彼らは、 hellら[8] は、线形吸水率のみによって决定される试験片の温度上升について、単纯だが说得力のある评価を行いました。彼らは、mpe で使用される典型的な平均出力（焦点面上で～ mpe で使用される典型的な平均出力（焦点面上で～ mpe で使用される典型的な平均出力（焦点面上で～mpe で使用される典型的な平均出力（焦点面上で～

光退色は、蛍光种自体の劣化により试料の蛍光発光が急速に减少するメカニズムです。多くの场合、光ダメージという言葉は、光によるダメージの主な原因として光退色を示すために使われますが、より长期的に起こるメカニズムは他にもある可能性があります。これらのメカニズムは、光退色に关连する化学変化によって引き起こされる可能性がありますが、光退色自体のタイムスケール（数秒から数十秒）よりも长い时间にわたって起こる可能性があります。光退色のメカニズムは复雑で、様々な侧面から活発に研究されています。光退色は1光子励起と2 2 光子励起の両方で起こりますが、2 2 光子励起の场合は焦点面に限定されます。フェムト秒パルスが存在する场合、光退色は2 2光子と2光子と3光子の混合プロセス、またはさらに高次のプロセスであることを示しています [4、5] [4、5]。光退色におけるより高い天博综合app官网登录性の简単な说明を図1（1 に示します。ここでは、色素（または蛍光タンパク质）_Oを介してそのエネルギーを一重项酸素状态に伝达することができ天博综合app官网登录。

项间交差の确率とは无关系に、MPE では光子束が大きくなると、特にピーク天博综合app官网登录が高いとき、 3光子または4

要约すると、生物学的试料上でレーザ出力を増加させた场合、最终的に线形（水や他の成分による吸收）2p吸收がさらに1（1 光子吸收またはそれ以上の光子吸收を引き起こし、光退色をもたらす）の光ダメージが発生します。mpe天博综合app官网登录における热ダメージは、パルス幅（したがって平均出力）

ダメージは波长にも依存し天博综合app官网登录。多くの研究により、励起波长を700 ～800 nmから900～1,100 nm まで、さらに1,250 nm まで増加させると、试料の生存に有益であることが示されてい天博综合app官网登录。もちろん、すべてのプローブが长波长で励起できるわけではありませんが、可能な限り励起スペクトルの赤色侧で蛍光色素分子を励起することが有利であると思われ天博综合app官网登录。また、波长が长いほど散乱が少ないため、より深いイメージングにも有效です。さらに良いことに、次のセクションで说明するように、波长が长いほど分散の影响を受けにくくなり天博综合app官网登录。これらすべての要素により、MPEより安全な920 ～1,100 nm领域で励起できるプローブが采用天博综合app官网登录るようになりました。

より长い波长に关する评価は一致しているように见えますが、理想的なパルス幅の选択は、より主観的、または観念的ですらあります。これ以上议论する前に、天博综合app官网登录システムにおける短パルスの管理を复习しておくと有益です。

フェムト秒天博综合app官网登录の伝播の管理

特定の时间fwhm sech2型

时间とバンド幅の积が0.315 sech₂型の天博综合app官网登录は、変换限界であると言われてい天博综合app官网登录。たとえば、変换限界800 nm 、100 fs のパルスのバンド幅は、 6.725 nm になり天博综合app官网登录。実际には、完全なパルスを达成するのは非常に难しく、チタンサファイアレーザのバンド幅は通常、変换限界の1.1 ～1.3

パルスの幅が短くなるほど、バンド幅は大きくなります。これは重要です。なぜなら、広バンド幅パルスは、多光子天博综合app官网登录などの复雑な光学系を通过すると、群遅延分散（ gdd）と呼ばれる现象が発生するためです。波长ごとに光学材料の屈折率が异なることによって引き起こされるこの2

マルチフォトン天博综合app官网登录用に特别に设计された自动化レーザの第1世代（Chameleon Xr）は、复雑な対物レンズ、変调器、その他いくつかの反射素子を含む天博综合app官网登录システムの典型的なGDDに合わせたパルス幅で动作しました。図2に合わせたパルス幅で动作しました。図2は、约140 fs のパルス幅が、広范な天博综合app官网登录の gdd

gdd）は波长に强く依存しており、一般的に1000 nm を超える波长よりも短波长の方が、はるかに高くなり天博综合app官网登录。システムの総 gdd gdd gdd gvd （群速度分散）と材料の长さの积です。典型的なgvd gvd データについては、図3 を参照してください。音响光学変调器で使用される最も一般的な材料である二酸化テルル（ teo2

适度に复雑な天博综合app官网登录では、1,050 nmを超える波长では総gddが8,000fs2 未満です。したがって、非常に短いパルスを除いて、パルス広がりは强い悬念事项ではありません。実际、このような条件下では、1,100mで200fsのパルス幅は最大230fsのパルス幅は最大230fsまで伸びるだけです。

分散补偿の有无にかかわらず、レーザを选択する际には実用的な考虑事项があり天博综合app官网登录。考虑すべき点は以下のとおりです。

• レーザはより复雑で大型です。プリズムベースのコンプレッサーにより、レーザ出力に少なくとも2 ～3 3 30 cm长くなり天博综合app官网登录。
• プリズム自体もビームにある程度の波面歪みを加え、それによりビームに非点收差が加わり天博综合app官网登录。これは、画像の点広がり关数に影响を与える可能性があり天博综合app官网登录。レーザの构筑プロセスと设计のベストプラクティスは、このような影响も补偿し天博综合app官网登录。
• プリズムによる透过率损失が若干あり天博综合app官网登录。通常、效率は波长に応じて80 ～90％です。非常に高い平均出力を必要とするアプリケーションでは、これは重要な考虑事项となる可能性があり天博综合app官网登录。
• 特定の天博综合app官网登录构成に合わせて正しい曲线を设定することが重要です。そうでない场合、误って短いパルスではなく长いパルスを试料に与えてしまう可能性があります。

一般に、100 fs 未満のパルスを持つレーザは、ごく単纯な光伝送列を除き、分散补偿の恩恵を受けることができ天博综合app官网登录。実际、そのようなレーザにはこの机能が必要であると言えるでしょう。140 fs 程度のパルスを持つレーザの场合、利点は前置补偿ステージの余分なコストとサイズの影响を必ずしも上回らないかもしれません。ただし、これにより、様々な种类のサンプルをより柔软に使用できる可能性があり天博综合app官网登录。

分散补偿と70～80 fs 程度の非常に短いパルスの両方を备えたチタンサファイアレーザを选択する场合、前置补偿プリズムの适切な设定が特に重要です。より定期的な间隔で适切なレーザ操作と最适化が必要になる场合があり天博综合app官网登录。例として図6を参照してください。

短すぎるとはどの程度の短さか？

自动分散补偿を备えたチタンサファイアレーザの市场での成功を考えると、なぜレーザパルスをできるだけ短くしないのでしょうか？このようなベンチャーの成功には、いくつかの重要な制约があり天博综合app官网登录。

波长可変レーザの范囲では、光学设计の限界により、平均出力と波长可変领域はトレードオフの关系にあり天博综合app官网登录。たとえば、140 fs のチタンサファイアレーザは、680 nmから1080nmまで调整可能です。75fs のパルスは本来バンド幅が広いため、チタンサファイアの蛍光発光スペクトルの端に近づけることができず、约1050 nm が限界です。これは、麦克里のような赤色蛍光タンパク质を画像化したいユーザーにとって重要です。さらに、レーザのスペクトルが麦克里100 nm を超えると、その形状が滑らかなガウス分布から乖离する倾向があり、その结果、一部のスペクトル成分において実际の励起が最适化されなくなり天博综合app官网登录。

非常に短いパルスの広いバンド幅は、撮像される蛍光マーカーの背景でも考虑する必要があります。2 光子の断面は、通常、対応する1光子の断面よりも広いですが、通常は100 nm 未満であり、さらに、断面は実际のパルス幅に依存する可能性があります [13、14] 。超広帯域パルスは、个々のマーカーに対応するためではなく、多くのプローブを同时に励起するために采用されるのが一般的です。例外として考えられるのは、フェーズマッチングが比较的波长に依存しない高调波発生天博综合app官网登录や、数百ナノメートルのバンド幅を持つ量子ドットの励起です。このような场合、非常に短いパルスを使用することで高い信号が得られますが、MPEで50fs以下のパルスは散発的に采用されているだけです。

これまでの分散に关する议论は、2次の分散效果にのみ焦点を当ててきました。3次分散（ to：（第三阶分散）は、より复雑な天博综合app官网登录システムで超広バンド幅パルスを使用する场合にも考虑されます。これは gdd fs3 fs3の単位で表されます。todはgdd gdd gdd gdd 30 fs 以下のパルス（または同等のバンド幅のパルス（15]。

概要

生体内神経科学のためのオプトジェネティクスや生理学を含む、一般的に关心のあるほぼすべての天博综合app官网登录天博综合app官网登录アプリケーションは（レーザ光源からの）50 ～200 fsの范囲のフェムト秒パルスで対応できます。约100fs 以下のパルスを生成するレーザ光源は、ピークパワーの劣化による励起の损失を避けるために、前置补偿を使用する利点があります。すべての光学材料の gdd は、波长が长くなると强く低下するため、1ミクロン以上の波长では、前置补偿の必要性はそれほど厳しくありません。使用する波长に关系なく、平均出力やピークパワーの増加は、最终的にそれぞれ线形（热）