二次諧波 相位匹配及其實(shí)現(xiàn)方法

1、 二次諧波的應(yīng)用 二次諧波成像是近年發(fā)展起來(lái)的一種三維光學(xué)成像技術(shù)，具有非線(xiàn)性光學(xué)成像所特有的高空間分辨率和高成像深度，可避免雙光子熒光成像中的熒光漂白效應(yīng)。 此外二次諧波信號(hào)對(duì)組織的結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性變化高度敏感，因此二次諧波成像對(duì)于某些疾病的早期診斷或術(shù)后治療監(jiān)測(cè)具有很好的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用前景.二次諧波 英文名稱(chēng)：second harmonic component 定義：將非正弦周期信號(hào)按傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)，頻率為原信號(hào)頻率兩倍的正弦分量。 SHG的一個(gè)必要條件是需要沒(méi)要反演對(duì)稱(chēng)的介質(zhì)其次是必須滿(mǎn)足相位匹配，傳播中的倍頻光波和不斷昌盛的倍頻極化波保持了相位的一致性.諧波產(chǎn)生的根本原因是由于非線(xiàn)性負(fù)載所致。

2、當(dāng)電流流經(jīng)負(fù)載時(shí)，與所加的電壓不呈線(xiàn)性關(guān)系，就形成非正弦電流，從而產(chǎn)生諧波。 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置按二次諧波信號(hào)收集方式可分為前向和后向，圖為前向和后向二次諧波產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖以圖（）為例：由激光器產(chǎn)生的角頻率為的入射基頻光，經(jīng)過(guò)物鏡聚焦到樣品上，產(chǎn)生頻率為的二次諧波，由另一個(gè)高數(shù)值孔徑的物鏡收集，濾光片（一般為窄帶濾光片）濾掉激發(fā)光和可能產(chǎn)生的熒光和其他背景光，再用探測(cè)器件（如）和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)的采集、存儲(chǔ)、分析和顯示要實(shí)現(xiàn)二次諧波微成像需要對(duì)以下因素進(jìn)行最優(yōu)化考慮：超短脈沖激光、高數(shù)值孑徑的顯微物鏡、高靈敏度的非解掃面探測(cè)器、準(zhǔn)相位匹配和具有高二階非線(xiàn)性的樣品激光器：摻藍(lán)寶石飛秒激光器

3、因具有高重復(fù)頻率（）和高峰值功率，單脈沖能量低且町在整個(gè)近紅外區(qū)（）內(nèi)連續(xù)調(diào)諧，所以是二次諧波顯微成像的理想光源激光的重復(fù)頻率對(duì)也有影響，如果提高激發(fā)光的重復(fù)頻率，激發(fā)光的平均功率可相應(yīng)提高，二次諧波信號(hào)也得到增強(qiáng)物鏡：一般情況下，二次諧波主要非軸向發(fā)射，即信號(hào)收集時(shí)必須有一個(gè)足夠大的數(shù)值孑徑來(lái)有效接收整個(gè)二次諧波信號(hào)濾光片：為保證所收集的信號(hào)為二次諧波信號(hào)，必須使用濾光片一般采用一長(zhǎng)波濾光片和窄帶濾光片（帶寬）組合以過(guò)濾任何干擾信號(hào)信號(hào)收集系統(tǒng)：為盡暈減少二次諧波信號(hào)在系統(tǒng)中的損失，提高系統(tǒng)的探測(cè)靈敏度，最好采用非解掃（）的信號(hào)信號(hào)收集系統(tǒng)中的主要部件是探測(cè)器首先，為收集整個(gè)二次諧波信號(hào)，需

4、要探測(cè)器的接收面足夠?qū)捚浯?，?duì)于由可調(diào)諧：藍(lán)寶石飛秒激光器，要接收的二次諧波信號(hào)處于波段，故可采用雙堿陰極光電倍增管由于激發(fā)光波長(zhǎng)離探測(cè)器的響應(yīng)區(qū)很遠(yuǎn)，故可有效探次諧波信號(hào)除了使用不同的濾光片外，二次諧波顯微成像和雙光子激發(fā)熒光顯微成像在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上是完全兼容的已有人成功地將激光掃描共聚焦顯微鏡改造成雙光子系統(tǒng)，同樣，也可以方便的用改造后的系統(tǒng)進(jìn)行兩者的復(fù)合成像二次諧波顯微成像技術(shù)的發(fā)展及其在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用. 細(xì)胞膜電壓的測(cè)量對(duì)理解細(xì)胞信號(hào)傳遞過(guò)程有重要作用. 使用合適的膜染劑進(jìn)行標(biāo)記, 通過(guò)對(duì)染劑分子的二次諧波顯微成像, 信號(hào)強(qiáng)度變化便能反映膜電壓的大小. 近年來(lái), 二次諧波顯微成像的一個(gè)主

5、要領(lǐng)域, 就是發(fā)展具有高時(shí)空分辨率及高靈敏度的活細(xì)胞中橫跨膜電壓的光學(xué)測(cè)量方法.成像用于膜電壓測(cè)量細(xì)胞膜電壓的測(cè)量對(duì)理解細(xì)胞信號(hào)傳遞過(guò)程有重要作用使用合適的膜染劑進(jìn)行標(biāo)記，通過(guò)對(duì)染劑分子的二次諧波顯微成像，信號(hào)強(qiáng)度變化便能反映膜電壓的大小近年來(lái)，二次諧波顯微成像的一個(gè)主要領(lǐng)域，就是發(fā)展具有高時(shí)空分辨率及高靈敏度的活細(xì)胞中橫跨膜電壓的光學(xué)測(cè)量方法年，等人¨證明，所加電場(chǎng)可強(qiáng)烈地調(diào)制強(qiáng)度年，！等人則證明了信號(hào)隨膜電壓變化實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，激發(fā)波長(zhǎng)為時(shí)，對(duì)膜電壓的靈敏度為，而只有年，等人進(jìn)一步研究了苯乙烯基染劑產(chǎn)生的二次諧波信號(hào)對(duì)膜電壓的敏感性實(shí)驗(yàn)表明，使用的激發(fā)波長(zhǎng)，膜染劑和使對(duì)膜電壓的敏感

6、度高達(dá)，且由于共振增強(qiáng)，使用的激發(fā)波長(zhǎng)時(shí)，敏感度達(dá)到這些研究結(jié)果進(jìn)一步鞏固了在活細(xì)胞中膜電壓的功能成像中的重要性最近，大學(xué)的科學(xué)家，通過(guò)使用一種低毒性的有機(jī)染劑，對(duì)海參神經(jīng)細(xì)胞進(jìn)行二次諧波微成像（如圖），并成功實(shí)現(xiàn)了腦組織巾的電脈沖成像¨，這對(duì)于解瀆大腦工作過(guò)程，解釋大腦退化疾病如癥等，具有巨大度、高空間分辨率和對(duì)生物的低殺傷性特點(diǎn)，為活體測(cè)量提供了一種新方法，有望成為組織形態(tài)學(xué)和生理學(xué)研究的個(gè)強(qiáng)大工具目的，在神經(jīng)科學(xué)、藥理學(xué)及疾病早期斷方面的應(yīng)用研究已取得一些進(jìn)展但二次諧波成像還是一¨不很成熟的技術(shù)，隨著研究的逐步深入，對(duì)它的應(yīng)用仍然有待進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)隨著微光纖技術(shù)的發(fā)展，

7、二次諧波成像技術(shù)還可與光纖光學(xué)結(jié)合進(jìn)行人體內(nèi)窺鏡檢查，實(shí)現(xiàn)活體生物體內(nèi)深處的組織在分子水平的成像隨著信號(hào)檢測(cè)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等的發(fā)展，還可運(yùn)用二次諧波成像實(shí)時(shí)觀察生物細(xì)胞活動(dòng)由于二次諧波顯微應(yīng)用于肌纖維長(zhǎng)度的精確度已達(dá)到¨，活體未標(biāo)記心臟和肌肉組織的納米藥理學(xué)研究也將發(fā)揮很大的作用本實(shí)驗(yàn)室正著手研究將次諧波成像、共聚焦顯微成像以及雙光子激發(fā)熒光成像結(jié)合，根據(jù)視網(wǎng)膜的分層結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，采用不方法成像，進(jìn)而揭示視網(wǎng)膜的正常生理結(jié)構(gòu)及病變部位，為視網(wǎng)膜疾病的早期診斷提供一種新型的具有三維高空間分辨牢的手段相位匹配及實(shí)現(xiàn)方法實(shí)驗(yàn)證明，只有具有特定偏振方向的線(xiàn)偏振光，以某一特定角度入射晶體時(shí)，才

8、能獲得良好的倍頻效果，而以其他角度入射時(shí)，則倍頻效果很差，甚至完全不出倍頻光。根據(jù)倍頻轉(zhuǎn)換效率的定義， （15）經(jīng)理論推導(dǎo)可得。 （16）與Lk/2關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)圖1。圖中可看出，要獲得最大的轉(zhuǎn)換效率，就要使Lk/20，L是倍頻晶體的通光長(zhǎng)度，不等于0，故應(yīng)k0，即0-2-2Lk/2相對(duì)光強(qiáng)圖1 倍頻效率與Lk/2的關(guān)系， （17）就是使， （18）n和n2分別為晶體對(duì)基頻光和倍頻光的折射率。也就是只有當(dāng)基頻光和倍頻光的折射率相等時(shí)，才能產(chǎn)生好的倍頻效果，式（18）是提高倍頻效率的必要條件，稱(chēng)作相位匹配條件。由于vc/n，v2c/n2，v和v2分別是基頻光和倍頻光在晶體中的傳播速度。滿(mǎn)足（18）式

9、，就是要求基頻光和倍頻光在晶體中的傳播速度相等。從這里我們可以清楚地看出，所謂相位匹配條件的物理實(shí)質(zhì)就是使基頻光在晶體中沿途各點(diǎn)激發(fā)的倍頻光傳播到出射面時(shí)，都具有相同的相位，這樣可相互干涉增強(qiáng)，從而達(dá)到好的倍頻效果。實(shí)現(xiàn)相位匹配條件的方法：由于一般介質(zhì)存在正常色散效果，即高頻光的折射率大于低頻光的折射率，如n2n大約為102數(shù)量級(jí)。k0。但對(duì)于各向同性晶體，由于存在雙折射，我們則可利用不同偏振光間的折射率關(guān)系，尋找到相位匹配條件，實(shí)現(xiàn)k0。此方法常用于負(fù)單軸晶體，下面以負(fù)單軸晶體為例說(shuō)明。圖2中畫(huà)出了晶體中基頻光和倍頻光的兩種不同偏振態(tài)折射率面間的關(guān)系。圖中實(shí)線(xiàn)球面為基頻光折射率面，虛線(xiàn)球面為

10、倍頻光折射率面，球面為o光折射率面，橢球面為e光折射率面，z軸為光軸。m法線(xiàn)noneno2ne2O z圖2 負(fù)單軸晶體折射率球面折射率面的定義：從球心引出的每一條矢徑到達(dá)面上某點(diǎn)的長(zhǎng)度，表示晶體以此矢徑為波法線(xiàn)方向的光波的折射率大小。實(shí)現(xiàn)相位匹配條件的方法之一是尋找實(shí)面和虛面交點(diǎn)位置，從而得到通過(guò)此交點(diǎn)的矢徑與光軸的夾角。圖中看到，基頻光中o光的折射率可以和倍頻光中e光的折射率相等，所以當(dāng)光波沿著與光軸成m角方向傳播時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)相位匹配，m叫做相位匹配角，m可從下式中計(jì)算得出， (19)式中都可以查表得到，表1列出幾種常用的數(shù)值。表1 相位匹配角晶體/mnonem鈮酸鋰1.062.2312.1

11、5087o0.532.3202.230碘酸鋰1.061.8601.71929o300.531.9011.750KD*P1.061.4951.45530o570.531.5071.467注意，相位匹配角是指在晶體中基頻光相對(duì)于晶體光軸z方向的夾角，而不是與入射面法線(xiàn)的夾角。為了減少反射損失和便于調(diào)節(jié)，實(shí)驗(yàn)中一般總希望讓基頻光正入射晶體表面。所以加工倍頻晶體時(shí)，須按一定方向切割晶體，以使晶體法線(xiàn)方向和光軸方向成m，見(jiàn)圖3?；l光Zm圖3 非線(xiàn)性晶體的切割晶面法線(xiàn)晶體以上所述，是入射光以一定角度入射晶體，通過(guò)晶體的雙折射，由折射率的變化來(lái)補(bǔ)償正常色散而實(shí)現(xiàn)相位匹配的，這稱(chēng)為角度相位匹配。角度相位匹配

12、又可分為兩類(lèi)。第一類(lèi)是入射同一種線(xiàn)偏振光，負(fù)單軸晶體將兩個(gè)e光光子轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)倍頻的o光光子。第二類(lèi)是入射光中同時(shí)含有o光和e光兩種線(xiàn)偏振光，負(fù)單軸晶體將兩個(gè)不同的光子變?yōu)楸额l的e光光子，正單軸晶體變?yōu)橐粋€(gè)倍頻的o光光子。見(jiàn)表2表2 單軸晶體的相位匹配條件晶體種類(lèi)第一類(lèi)相位匹配第二類(lèi)相位匹配偏振性質(zhì)相位匹配條件偏振性質(zhì)相位匹配條件正單軸負(fù)單軸本實(shí)驗(yàn)用的是負(fù)單軸鈮酸鋰晶體第一類(lèi)相位匹配。相位匹配的方法除了前述的角度匹配外，還有溫度匹配，這里不作細(xì)述。LsL2Ls圖4 晶體中基頻光和倍頻光振幅隨距離的變化在影響倍頻效率的諸因素中，除前述的比較重要的三方面外，還需考慮到晶體的有效長(zhǎng)度Ls和模式狀況。圖

13、4為晶體中基頻光和倍頻光振幅隨距離的變化。如果晶體過(guò)長(zhǎng)，例L>Ls時(shí)，會(huì)造成倍頻效率飽和；晶體過(guò)短。例L<Ls，則轉(zhuǎn)換效率比較低。Ls的大小基本給出了倍頻技術(shù)中應(yīng)該使用的晶體長(zhǎng)度。模式的不同也影響轉(zhuǎn)換效率，如高階橫模，方向性差，偏離光傳播方向的光會(huì)偏離相位匹配角。所以在不降低入射光功率的情況下，以選用基橫模或低階橫模為宜。 圖5 基頻光與倍頻光的脈寬及相對(duì)線(xiàn)寬的比較II2t1t2t1tt1t2t2t11221 5  倍頻光的脈沖寬度和線(xiàn)寬通過(guò)對(duì)倍頻光脈沖寬度t和相對(duì)線(xiàn)寬v的觀測(cè)，還可看到兩種線(xiàn)寬都比基頻光變窄的現(xiàn)象。這是由于倍頻光強(qiáng)與入射基頻光強(qiáng)的平方成比例的緣

14、故。圖5中，假設(shè)在tt0時(shí)。基頻和倍頻光具有相同的極大值。基頻光在t1和t1'時(shí)，功率為峰值的1/2，脈沖寬度t1t1't1，而在相同的時(shí)間間隔內(nèi)，倍頻光的功率卻為峰值的1/4，倍頻光的半值寬度t2 't2< t1't1,即t2<t1，脈沖寬度變窄。同樣道理可得到倍頻后的譜線(xiàn)寬度也會(huì)變窄。1064532：I類(lèi)匹配為theta=90 phi=11.425CII類(lèi)為theta=20.9 phi=9025 CLBO匹配分兩種,一種為非臨界相位匹配,一種為臨界相位匹配即角度匹配.后一種都是在常溫下使用的,也可以根據(jù)不同的工作溫度進(jìn)行角度的調(diào)整。 二次諧波的應(yīng)

15、用 二次諧波成像是近年發(fā)展起來(lái)的一種三維光學(xué)成像技術(shù)，具有非線(xiàn)性光學(xué)成像所特有的高空間分辨率和高成像深度，可避免雙光子熒光成像中的熒光漂白效應(yīng)。 此外二次諧波信號(hào)對(duì)組織的結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性變化高度敏感，因此二次諧波成像對(duì)于某些疾病的早期診斷或術(shù)后治療監(jiān)測(cè)具有很好的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用前景.二次諧波 英文名稱(chēng)：second harmonic component 定義：將非正弦周期信號(hào)按傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)，頻率為原信號(hào)頻率兩倍的正弦分量。 SHG的一個(gè)必要條件是需要沒(méi)要反演對(duì)稱(chēng)的介質(zhì)其次是必須滿(mǎn)足相位匹配，傳播中的倍頻光波和不斷昌盛的倍頻極化波保持了相位的一致性.諧波產(chǎn)生的根本原因是由于非線(xiàn)性負(fù)載所致。當(dāng)電流流經(jīng)負(fù)載

16、時(shí)，與所加的電壓不呈線(xiàn)性關(guān)系，就形成非正弦電流，從而產(chǎn)生諧波。 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置按二次諧波信號(hào)收集方式可分為前向和后向，圖為前向和后向二次諧波產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖以圖（）為例：由激光器產(chǎn)生的角頻率為的入射基頻光，經(jīng)過(guò)物鏡聚焦到樣品上，產(chǎn)生頻率為的二次諧波，由另一個(gè)高數(shù)值孔徑的物鏡收集，濾光片（一般為窄帶濾光片）濾掉激發(fā)光和可能產(chǎn)生的熒光和其他背景光，再用探測(cè)器件（如）和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)的采集、存儲(chǔ)、分析和顯示要實(shí)現(xiàn)二次諧波微成像需要對(duì)以下因素進(jìn)行最優(yōu)化考慮：超短脈沖激光、高數(shù)值孑徑的顯微物鏡、高靈敏度的非解掃面探測(cè)器、準(zhǔn)相位匹配和具有高二階非線(xiàn)性的樣品激光器：摻藍(lán)寶石飛秒激光器因具有高重復(fù)頻

17、率（）和高峰值功率，單脈沖能量低且町在整個(gè)近紅外區(qū)（）內(nèi)連續(xù)調(diào)諧，所以是二次諧波顯微成像的理想光源激光的重復(fù)頻率對(duì)也有影響，如果提高激發(fā)光的重復(fù)頻率，激發(fā)光的平均功率可相應(yīng)提高，二次諧波信號(hào)也得到增強(qiáng)物鏡：一般情況下，二次諧波主要非軸向發(fā)射，即信號(hào)收集時(shí)必須有一個(gè)足夠大的數(shù)值孑徑來(lái)有效接收整個(gè)二次諧波信號(hào)濾光片：為保證所收集的信號(hào)為二次諧波信號(hào)，必須使用濾光片一般采用一長(zhǎng)波濾光片和窄帶濾光片（帶寬）組合以過(guò)濾任何干擾信號(hào)信號(hào)收集系統(tǒng)：為盡暈減少二次諧波信號(hào)在系統(tǒng)中的損失，提高系統(tǒng)的探測(cè)靈敏度，最好采用非解掃（）的信號(hào)信號(hào)收集系統(tǒng)中的主要部件是探測(cè)器首先，為收集整個(gè)二次諧波信號(hào)，需要探測(cè)器的接收

18、面足夠?qū)捚浯?，?duì)于由可調(diào)諧：藍(lán)寶石飛秒激光器，要接收的二次諧波信號(hào)處于波段，故可采用雙堿陰極光電倍增管由于激發(fā)光波長(zhǎng)離探測(cè)器的響應(yīng)區(qū)很遠(yuǎn)，故可有效探次諧波信號(hào)除了使用不同的濾光片外，二次諧波顯微成像和雙光子激發(fā)熒光顯微成像在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上是完全兼容的已有人成功地將激光掃描共聚焦顯微鏡改造成雙光子系統(tǒng)，同樣，也可以方便的用改造后的系統(tǒng)進(jìn)行兩者的復(fù)合成像二次諧波顯微成像技術(shù)的發(fā)展及其在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用. 細(xì)胞膜電壓的測(cè)量對(duì)理解細(xì)胞信號(hào)傳遞過(guò)程有重要作用. 使用合適的膜染劑進(jìn)行標(biāo)記, 通過(guò)對(duì)染劑分子的二次諧波顯微成像, 信號(hào)強(qiáng)度變化便能反映膜電壓的大小. 近年來(lái), 二次諧波顯微成像的一個(gè)主要領(lǐng)域, 就是發(fā)展具有高時(shí)空分辨率及高靈敏度的活細(xì)胞中橫跨膜電壓的光學(xué)測(cè)量方法.成像用于膜電壓測(cè)量細(xì)胞膜電壓的測(cè)量對(duì)理解細(xì)胞信號(hào)傳遞過(guò)程有重要作用使用合適的膜染劑進(jìn)行標(biāo)記，通過(guò)對(duì)染劑分子的二次諧波顯微成像，信號(hào)強(qiáng)度變化便能反映膜電壓的大小近年來(lái)，二次諧波顯微成像的一個(gè)主要領(lǐng)域，就是發(fā)展具有高時(shí)空分辨率及高靈敏度的活細(xì)胞中橫跨膜電壓的光學(xué)測(cè)量方法年，等人¨證明，所加電場(chǎng)可強(qiáng)烈地調(diào)制強(qiáng)度年，！等人則證明了信號(hào)隨膜電壓變化實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，激發(fā)波長(zhǎng)為時(shí)，對(duì)膜電