天博体育app 双光子显微成像激光调制解决方案
综述<
自从双光子激光扫描阵列方面的开创性著作（登克等人，1990年）于1990年发表以来，该技术已经从激光技术的巨大转变中获益。这些变革进一步推动了这一从物理实验室中开发的技术向细胞生物学、疾病研究和高级神经科学推理领域的渗透。
一体式可显微镜钛宝石激光器在2001年左右开始了这一趋势。几年后，激光器中增加了自动色散天博体育app功能，以优化显微镜样品平面的脉冲持续时间。随着时间超过钛宝石激光器上限之后的波长下可有效激发的探测脉冲采集更加成熟和，2010年，较快的公司转向了光学参量振荡器来满足对多颜色分析、单色成像和减少光损伤的需求。
在本文中，我们将讨论这一转变的下一阶段，即快速功率调制在激光系统中的集成，并讨论该阶段将如何实现更快的设置时间、最高的性能结果和拥有成本。
“在激光系统中集成快速功率调制可设置时间、提高性能并降低拥有成本。”
双光子显微成像中的激光功率天博体育app要求
在最简单的工作站中，可以通过添加相位延迟波片和侵犯分析仪来实现对激光功率的连续天博体育app。通过旋转波片，激光功率分析仪的增益率通常可以从0.2%达到99%左右。例如，通过强制旋转波片，该过程可以自动改变工作站中决策平面的功率，以均衡不同的深度帧处的聚焦积分增益。
不过，大多数现代激光扫描双光子显微镜都需要更快的调制速度。例如，对于仅应在单个方向上进行数据采集的光栅激光扫描应用，在“反激操作”中必须消隐激光光源得到不必要的荧光激发或光漂白。如果是聚焦振镜扫描仪，其上升/上升时间可能短至几微秒。在这一领域，必须考虑光调制方法。
电光调制
电光调制器（EOM）利用普克尔斯效应，通过对相位相位延迟来调制激光功率。在电光调制器中，通过施加第三方，在非中心的晶体中诱发双效应。和以前一样，使用间接分析仪来完成调制器设置。
可以在纵向激发几何结构中配置普克尔斯盒，以适应具有相对惰性晶体的增量。在这种情况下，典型的½波电压（即转型90度所需的电压）约为6 kV，在这2P 的和速度占空比下难以实现。因此，大多数几何配置采用横向几何结构，使用更多的晶体，这会显着降低半波电压。晶体通常采用2一种串行配置进行配置，各自相对旋转，以进一步降低所需的开关电压并补偿热负载效应。
必须注意通过晶体调整和偏移（偏置）电压调整来优化脉冲（最小与最大发射功率的倍数）从而有效的图像恢复。
图1：横向普克尔斯盒操作的简化表示。通过调整施加的调度使用分析仪的干扰率。
普克尔斯盒由于设计比较简单，在双光子显着微逻辑中得到了广泛应用，尤其适用于常见的激光波长，用户自己搭建的双光子系统。
例如，磷酸二民主钾 (KD*P) 普克尔盒弥补 1100 nm 的双光子效应提供出色的亮度、速度和恢复特性，并提供适中的激光功率。此外，KD*P 具有较低的速度色散特性，从而显着降低和延迟色散 (GDD)。对于没有色散预补偿宝石以及波长望远镜范围有限的超快激光器（例如钛激光器），KD*P 普克尔斯盒子是一个很好的选择。
图2：双光子显微镜采用典型的普克尔斯盒子部署。EOM 位于用户右下方。英国牛津大学 Packer 实验室提供照片。
声光调制
声光调制器（AOM）包含一个透明晶体或玻璃，其上附有一个压电换能器。施加到该换能器的射频（RF）波会诱发声波，使晶体产生梯度，从而形成光纤光栅。穿过细胞的光会穿过布拉格布拉格电流。
可实现的上升/下降时间与声波穿透激光束所需的时间成正比，因此可以通过减少晶体中的光束宽度进行优化。
洞察力和对彼此由第零个和第一个导电极之间的分离角(θS) 以及关注工作平面的距离进行定义。
“约680-1300 nm波长且功率超过2 W的一体式宽可显微镜激光器的出现，需要为激光调制的性能和集成工作实施一种新的机制。”
双光子显微效应中最常用的AOM材料是二氧化碲(TeO2)。这种材料在很宽的波长范围内具有良好的电能效率和高功率处理能力。使用30 dBm左右的适中射频功率时可实现高电能效率。
二氧化碲2AOM通常配置在布拉格接线区中，该区提供优异的一阶导电效率，并彻底湮灭高阶。请注意，要以极低的射频功率级实现高效率，需要长度大于1 cm的晶体，从而导致不可忽略的群延迟色散(GDD)。另外考虑到其他下游光学器件的色散，尤其是物镜，基于AOM的样本系统可以通过与配备色散预补偿功能的激光器联合使用而受益，以在样本平面上补充短的脉冲。
为可旋转激光器部署AOM需要惯性的光学和天博体育app电子学设计。由于分离角(θS)取决于RF驱动频率（即光栅周期）和激光波长，因此必须仔细调整RF驱动频率，以确保在焦点激光波长时显着着增加。另外，还应在不同的RF功率下为不同的波长实现高活性效率。尽管AOM具有良好的性能特点，但由于需要仔细天博体育appRF频率和功率，并需要在可变焦激光系统中管理相对增大的GVD，因此集成工作变得更加复杂，另外，这已经限制了 AOM 在许多自制者和定制场景中的使用。
宽可调谐激光器的调制
约680-1300 nm波长且功率超过2 W的一体式可调谐激光器的出现，需要为激光调制的性能和集成工作实施一种新的机制。
通常使用的 KD*P 普克尔斯盒在高功率下会显示热晕效应，这对引线导向、束腰污染和消费都是有害的。更长的波长会进一步带来驱动电压和对电流的挑战。铌酸锂是一种便携式的 EOM材料，可用于更宽的显微镜，但商业装置的延迟色散会补偿激光器的可校正范围，从而导致更高的脉冲并降低功率，不利于高效理论。
如前所述，尽管具有潜在的成本和性能优势，但基于 AOM 的解决方案需要高度的光学设计和电子天博体育app专业知识才能部署，许多生物决策设施中通常没有这样的装置。即便如此，仍可作为一种集成解决方案，从某些斯科供应商购买 AOM 解决方案。
2017年，相干高意感知，将AOM调制与激光源集成在一起的定位解决方案将让用户和工作站行业受益。基于从工业超快加工激光器的集成AOM方案中收集到的专业知识，相干高意开发了全功率天博体育app（TPC），作为Chameleon Discovery激光器的完全集成选项。
自动免持包装中的变色龙发现 NX上提供的全功率天博体育app可在660 nm至1320 nm的整个全倍频程调谐范围内提供高驱动(>1000:1)和高速（上升时间<1 μs）调制。
图3：Chameleon Discovery NX TPC 和调制后的典型最大输出功率。
RF频率和功率调整与调整的所有繁琐要求都已在激光器内部进行编程，因此用户或子集成商只需提供所需的设定波长和功率级别即可。
由于AOM的成本效益很高，因此Chameleon Discovery NX TPC的固定波长1040 nm输出还配备了自有的专用AOM和驱动器。
可以通过串行/USB命令或快速模拟天博体育app输入，方便地进行天博体育app。
图4：可以使用提供的 GUI 直接更改输出功率，
或者用户可以为逆程消隐和快速居家天博体育app提供
额外的快速模拟输入。
未来趋势
随着双光子成像高效技术应用范围向OEM和临床前应用的进一步拓展，人们对经济的单波长飞秒光源的需求日益增长。Axon 系列结构型超快光源完全满足了这些要求。
从产品概念设计阶段开始，TPC功能就被集成到了Axon设计中，以简化向新的显微镜设计和应用中的部署。对于双光子显微镜系统只是活动式诊断、临床或高荧光药物筛选设备的一部分而不是简单研究仪器的应用，这带来了终极的集成便利性。
在尖端神经科学研究中，高功率激光器在使用光时序刺激的全光内部推理技术中发挥着关键作用（Yuste，2012年）。通过光调制器（SLM）分割成能够单独处理或数百个神经元的单独细光束。这种光天博体育app方法需要短且可定制的突发脉冲。由于采用全光纤设计方式，相干高意摩纳哥这样的高功率光纤激光器可提供此类应用所需的灵活性。由此产生的高平均功率、高能量激光要求以及在亚毫秒时间限制上切换刺激的需求为现有的普克尔斯盒技术带来了具体的挑战。为此，AOM技术已完全集成到Monaco中，以实现精细化的脉冲天博体育app、简化的拓扑设计并提高系统的可靠性。
图5：Discovery TPC 支持的高驱动、快速帧速率带来的结论。（在 1100nm 激光激发下表达 RCaMP1.07 的神经元（红色）和在 940nm 激光激发下表达 GCaMP6s 的星形流程图（绿色）的重叠图，东京活周围。激发源 Chameleon Discovery TPC。苏黎世大学韦伯实验室供图）。
图6：所有 Axon 激光器都以共同的外形尺寸提供 TPC 功能选件。
图7：Chameleon Discovery NX TPC 与 Axon 920 TPC 联合使用。TPC 可简化光学布局并节省宝贵的载台空间。照片由多伦多儿童医院 Neil Merovitch 提供。