白皮书
两光子天博体育中国官方网站的激光调制解决方案
概述<
自1990年发表的两光子激光扫描荧光天博体育中国官方网站中的开创性工作以来（Denk等，1990），该技术从激光技术的步骤变化中受益。这些改进最初从物理实验室，细胞生物学，疾病研究和晚期神经科学成像进一步渗透。
一个盒子，可调ti：蓝宝石激光器在2001年左右开始这种趋势。几年后，将自动分散控制添加到激光器中，以优化天博体育中国官方网站样品平面的脉冲持续时间。由于波长的探针可激发，比上限的探针长TI：蓝宝石天博体育中国官方网站变得更加成熟和高效，在2010年天博体育中国官方网站公司转向光学参数振荡器以满足增强调色板，更深的成像和更少的光损伤的需求。
在本文中，我们讨论了此进化中的下一个阶段；快速功率调制在天博体育中国官方网站系统中的集成，以及如何实现更快的设置时间，最高性能和低成本的所有权。
“天博体育中国官方网站系统中快速功率调制的集成可以实现更快的设置时间，最高性能和低成本。”
两光子天博体育中国官方网站中激光功率控制的要求
以最简单的形式，可以通过添加相位延迟的波板和极化分析仪来实现对激光功率的连续控制。通过旋转波板，激光功率通过分析仪的传输通常可以从0.2％的传输更改为〜99％。通过电动波板可以自动化以更改天博体育中国官方网站中成像平面的功率，以在不同的深度框架下均衡集中的液体。
最现代的激光扫描两光子天博体育中国官方网站需要更快的调制速度。例如，对于仅应朝单个方向进行数据采集的光栅激光扫描应用程序，必须在“反式飞行操作”期间将激光掩盖，以避免不必要的荧光激发或光漂白。在谐振范围扫描仪的情况下，所得的上升/秋季时间可能小于几微秒。在此域中，必须考虑光学调制方法。
电流天博体育中国官方网站
通过使用Pockels效应将相位延迟施加到光束上，通过将相位延迟施加到光束来调节天博体育中国官方网站功率。这是通过应用电场在非中心对称晶体中诱导双折射的地方。和以前一样，使用偏振分析仪来完成调制器设置。
可以在纵向激发几何形状中配置Pockels细胞，以适应具有相对短晶体的较大光束。在这种情况下，典型的½波电压（即极化旋转90度旋转所需的电压年龄）为6 kV，这很难在2p天博体育中国官方网站的速度和占空比下实现。因此，大多数用于成像的配置都采用较长的晶体采用横向电场几何形状，从而显着降低了半波电压。通常将晶体部署在2个或更多的串行配置中，相互旋转，以进一步降低所需的开关电压并补偿热负载效果。
必须通过晶体对齐和偏移（偏置）电压调节来优化脉冲对比度（最小值与最大发射天博体育中国官方网站的比率），以进行最佳图像对比度。
图1：简化的横向锅手术单元操作的表示。通过调整施加的电场来调节通过分析仪的传输。
Pockels细胞在两光子天博体育中国官方网站中被广泛采用，尤其是在“家庭建筑商”社区中，因为它们相对简单地部署，尤其是对于仅需要在流行的两光片波长的用户。
例如，基于磷酸钾（KD*p）的细胞为2P应用提供了出色的传输，速度和对比度特性，可达约1100 nm，以及适度的天博体育中国官方网站功率。此外，Kd*p具有较低的组速度分散特性，导致群延迟分散（GDD）。为此，当使用超快天博体育中国官方网站器无需分散验验和有限的调谐（例如ti：蓝宝石天博体育中国官方网站器）时，kd*p pockels细胞是一个流行的选择。
图2：在两光子天博体育中国官方网站上的典型Pockels细胞部署。 EOM在用户的右手下方。 P Hotograph提供的包装工实验室，英国牛津大学。
Acousto-optic天博体育中国官方网站
Acousto-Optic天博体育中国官方网站器（AOM）包含透明的晶体或玻璃，将压电传感器附着在该晶体上。施加到传感器上的射频波（RF）波会诱导声波，该声波扭曲晶体，从而导致折射率光栅。然后通过细胞传播的光经历布拉格衍射。
可实现的上升/秋季时间与声波穿越天博体育中国官方网站束所需的时间成正比，因此通过减少晶体中的光束的宽度来优化。
歧视，因此对比度由两个分离角（θ定义S）在零和第一个衍射顺序与关注工作平面之间的距离之间。
“单箱可调天博体育中国官方网站器的出现，按680-1300 nm的顺序且功率超过2 w，需要对天博体育中国官方网站调制的新绩效和集成工作的新制度。
两光子天博体育中国官方网站中使用的最常见的AOM材料是二氧化柜，（TEO）2）。该材料在宽波长范围内表现出出色的衍射效率和高天博体育中国官方网站处理。最大的传输效率是通过适度的RF天博体育中国官方网站以30 dBm的顺序实现的。
TEO2AOM通常是在Bragg交互制度中配置的，该方案为第一阶提供了最佳的衍射效率，较高的订单破坏性灭绝。请注意，要以最小的RF功率水平达到高效率，需要晶体长度> 1 cm，导致不可忽略的组延迟分散（GDD）。还考虑到其他下游光学元件的分散，尤其是物镜镜头，基于AOM的天博体育中国官方网站系统通过与配备分散性预补偿的激光器合作而受益，以维持样品平面的最短脉冲。
可调天博体育中国官方网站器的AOM部署需要仔细的光学和控制电子设计。由于分离角（θS）取决于RF驱动频率（即光栅周期）和天博体育中国官方网站波长，必须仔细校准RF驱动频率，以确保在调谐天博体育中国官方网站波长时最小的指向变化。另外，对于不同波长，在不同的RF功率下实现了最大衍射效率。由于需要仔细控制RF频率和功率，并在可调成像系统中管理相对较大的GVD所产生的更加繁重的集成工作，尽管具有出色的性能特征，但迄今为止，在许多家庭构建器和自定义设置中，迄今为止的AOM使用都有限。
在广泛可调天博体育中国官方网站器中调制
按680-1300 nm的顺序，单箱广泛可调天博体育中国官方网站器的出现，并且功率超过2 W，需要对天博体育中国官方网站调制的新功能和集成工作的新制度。
典型使用的KD*P Pockels单元在高功率上显示热绽放效果，这对梁的指向，梁腰的完整性和寿命有害。较长的波长进一步提出了更高的驱动电压和对比度的挑战。诱导锂是用于更广泛调整的可行EOM材料，但是商业单元的组延迟分散率高于可更正的分散元件补偿天博体育中国官方网站器的范围，从而导致更长的脉冲和较长的峰值功率，并降低了峰值功率，对有效的成像有害。。
如前所述，尽管具有潜在的成本和性能益处，但基于AOM的解决方案需要高度的光学设计和电子控制专业知识才能部署，通常在许多生物成像设施中不容易获得。也就是说，AOM解决方案可作为来自某些天博体育中国官方网站供应商的集成溶液市售。
在2017年，连贯的人认识到，用户和天博体育中国官方网站行业都将受益于将AOM调制与激光源集成的交钥匙解决方案。在工业超快加工激光器中的集成AOM解决方案收集的专业知识的基础上，连贯的总电源控制（TPC）是Chameleon Discovery Laser的完全集成选择。
总电源控制，可在上获得变色龙发现NX，提供高速对比度（> 1000：1）和高速（<1μs上升时间）天博体育中国官方网站，在无提其免提自动套件中的660 nm至1320 nm的完整八度音调范围内。
图3：变色龙发现NX TPC和天博体育中国官方网站后的典型最大输出功率。
RF频率和功率校准和调整的所有税收要求均在激光器内部编程，因此所有用户或天博体育中国官方网站集成器都需要提供的所有用户或天博体育中国官方网站集成器都需要设置波长和功率水平。
由于天博体育中国官方网站非常有效，因此固定波长1040 nm的Chameleon Discovery NX TPC也配备了自己的专用天博体育中国官方网站和驱动程序。
可以通过串行/USB命令或快速模拟控制输入来方便地控制天博体育中国官方网站。
图4：提供的GUI可用于直接更改输出天博体育中国官方网站
或用户可以为飞回剂提供额外的快速模拟输入
和快速抖动控制。
未来趋势
作为天博体育中国官方网站子成像技术的范围，进一步驱动到OEM和临床前应用，对单波长，具有成本效益的飞秒源的需求正在增长。这轴突系列紧凑型超快来源完美地天博体育中国官方网站了这些要求。
从产品概念阶段，将TPC功能集成到轴突设计中，以简化部署到新的天博体育中国官方网站设计和应用中。这为两光子天博体育中国官方网站系统是可移动诊断，临床或HI GH通知筛选设备而不是纯研究工具的应用而不是纯研究工具的一部分，这为应用带来了最终集成的便利。
在尖端神经科学研究中，高功率天博体育中国官方网站器使用光遗传学刺激在全光体内成像技术中起关键作用（Yuste，2012）。用空间光调节器（SLM）将多个瓦的天博体育中国官方网站功率分成能够单独解决数十个或数百个神经元的单个光束。这种光学控制方法需要简短和可定制的脉冲爆发。高功率纤维天博体育中国官方网站器喜欢连贯的摩纳哥借助全光纤设计格式提供了这些应用所需的灵活性。由此产生的高平均功率，高能量激光要求以及在S UB毫秒时尺度上切换刺激光束的需求提出了对现有的Pockels Cell Technology的特定挑战。为此，AOM技术已完全集成到摩纳哥，以进行精美的脉冲控制，简化的天博体育中国官方网站设计和提高成像系统的可靠性。
图5：Discovery TPC启用了高对比度，快速帧速率钙成像的示例。 （表达RCAMP1.07的神经元在1100 nm（红色）激发的覆盖层和表达GCAMP6在940 nm（绿色），鼠标中激发的星形胶质细胞。
图6：所有轴突天博体育中国官方网站器在共同的表单中提供TPC功能作为选项。
图7：Chameleon Discovery NX TPC与Axon 920 TPC合作。 TPC启用简化的光学布局并节省有价值的桌子空间。照片由多伦多病假医院的尼尔·梅洛维奇（Neil Merovitch）提供。
摘要
在此技术说明中，我们讨论了两种指导激光器的激光输出功率的两种主要方法，用于两光子天博体育天博体育天博体育天博体育中国官方网站官方网站官方网站官方网站 - 电光和声学和声学模型。到目前为止，大多数“家庭构建者”都有选择的EOM，因为在光路中部署此高压动力设备的相对简单性。各种天博体育天博体育天博体育天博体育中国官方网站官方网站官方网站官方网站供应商提供的EOM或AOM与激光输送列车的部分集成在一起，其软件体系结构都控制了天博体育天博体育天博体育天博体育中国官方网站官方网站官方网站官方网站和激光。使用其制造经验与为24/7制造环境设计的高功率光纤激光器，连贯的意识到，AOM方法在尺寸，成本，速度和整体性能方面的优势也将实现两光孔成像应用程序。通过在激光软件和硬件体系结构中集成对AOM的复杂控制Discovery NX, Axon和摩纳哥，天博体育中国官方网站顿用户 - 家用建筑商和范围公司 - 受益于极大的简化且易于控制光学设置，用于从高级神经科学到医疗诊断的应用程序。