二次谐波相位匹配及其实现方法

二次谐波的应用二次谐波成像是近年进展起来的一种三维光学成像技术，具有非线性光学成像所特有的高空间区分率和高成像深度，可避开双光子荧光成像中的荧光漂白效应。此外二次谐波信号对组织的构造对称性变化高度敏感，因此二次谐波成像对于某些疾病的早期诊断或术后治疗监测具有很好的生物医学应用前景.二次谐波英文名称：secondharmoniccomponent定义：将非正弦周期信号按傅里叶级数开放，频率为原信号频率两倍的正弦重量。SHG的一个必要条件是需要没要反演对称的介质其次是必需满足相位匹配，传播中的倍频光波和不断兴盛的倍频极化波保持了相位的全都性.系，就形成非正弦电流，从而产生谐波。ＳＨＧ试验装置ＳＨＧ试验装置按二次谐波信号收集方式可分为前向和后向，图２为前向和后向二次谐波产生的实验装置示意图．以图２〔ａ〕为例：由激光器产生的角频率为的入射基频光，经过物镜聚焦到样品上，产生频率为２的二次谐波，由另一个高数值孔径的物镜收集，滤光片〔一般为窄带滤光片〕滤掉激发光和可能产生的荧光和其他背景光，再用探测器件〔如ＰＭＴ〕和计算机系统进展信号的采集、存储、分析和显示．要实现二次谐波微成像需要对以下因素进展最优化考虑：超短脉冲激光、高数值孑Ｌ径的显微物镜、高灵敏度的非解扫面探测器、准相位匹配和具有高二阶非线性的样品Ｊ．激光器：掺Ｔｉ蓝宝石飞秒激光器因具有高重复频率〔８０ＭＨｚ〕和顶峰值功率，单脉冲能量低且町在整个近红外区〔７００～１０００ｎｍ〕内连续调谐，的重复频率，激发光的平均功率可相应提高，二次谐波信号也得到增加．物镜：一般状况般承受一长波滤光片和窄带滤光片〔带宽１０ｎｍ〕组合以过滤任何干扰信号．信号收集系统：为尽晕削减二次谐波信号在系统中的损失，提高系统的探测灵敏度，最好承受非解扫〔ｎｏｎ．ｄｅｓｃａｎｎｅｄ〕的信号．信号收集系统中的主要部件是ＰＭＴ探测器．首先，为收集整个二次谐波信号，需要探测器的接收面足够宽．其次，对于由可调谐Ｔｉ谐波信号处于３５０～５００ｎｍ－－次谐波信号．除了使用不同的滤光片外，二次谐波显微成像和双光子激发荧光显微成像在系统构造上是完全兼容的．已有人成功地将激光扫描共聚焦显微镜改造成双光子系统９，同样，也可以便利的用改造后的系统进展两者的复合成像二次谐波显微成像技术的进展及其在生物医学中的应用.细胞膜电压的测量对理解细胞信号传递过程有重要作用.使用适宜的膜染剂进展标记,通过对染剂分子的二次谐波显微成像,信号强度变化便能反映膜电压的大小.近年来,二次谐波显微成像的一个主要领域,就是进展具有高时空区分率及高灵敏度的活细胞中横跨膜电压的光学测量方法.用适宜的膜染剂进展标记，通过对染 剂分子的二次谐波显微成像，信号强度变化便能反映膜电压的大小．近年来，二次谐波显微成像的一个主要领域，就是进展具有高时空区分率及高灵敏度的活细胞中横跨膜电压的光学测量方法．１９９３年，ＯＢｏｕｅｖｉｔｃｈ等人¨证明，所加电场可猛烈地调制ＳＨＧ强度．１９９９年，ＰＪＣａｍｐａｇｎｏ！ａ等人则证明白ＳＨＧ信号随膜电压变化．试验结果说明，激发波长为８５０ｎｍ时，ＳＨＧ对膜电压的灵敏度为１８／１００ｍＶ，而ＴＰＥＦ只有１０／１００ｍＶ＿Ｊ．２００４年，Ａｎｄｒｅｗ等人进一步争论了苯乙烯基染剂产生的二次谐波信号对膜电压的敏感性．试验说明，使用８５０～９１０ｎｍ的激发波长，膜染剂ｄｉ－４．ＡＮＥＰＰＳ和ｄｉ４．ＡＮＥＰＭＰＯＨ使ＳＨＧ对膜电压的敏感度高达２０／１００ｍＶ，且由于共振增加，使用９５０—９７０ｎｍ的激发波长时，敏感度到达４０／１００ｍＶ．这些争论结果进一步稳固了ＳＨＧ在活细胞中膜电压的功能成像中的重要性．Ｃｏｒｎｅｌｌ毒性的有机染剂ＤＨＰＥＳＢＰ，对海参神经细胞进展二次谐波微成像〔如图５，并成功实现了脑组织巾的电脉冲成像¨，这对于解渎大脑工作过程，解释大脑退化疾病如Ａｌｚｈｅｉｍｅｒ’ｓ症等，具有巨大度、高空间区分率和对生物的低杀伤性特点，为活体测量供给了一种方法，有望成为组织形态学和生理学争论的个强大工具．目的，ＳＨＧ在神经科学、药理学及疾病早期断方面的应用争论已取得一些进展．但二次谐波成像还是一¨不很成熟的技术，随着争论的逐步深入，对它的应用仍旧有待进一步的开实现活体生物体内深处的组织在分子水平的成像．随着信号检测技术和计算机技术等的进展，还可运用二次谐波成像实时观看生物细胞活动．由于二次谐波显微应用于肌纤维长度的准确度已到达２０ｎｍ＿¨荧光成像结合，依据视网膜的分层构造和特点，承受不方法成像，进而提醒视网膜的辨牢的手段相位匹配及实现方法出倍频光。依据倍频转换效率的定义经理论推导可得

P2ωηPω ， 〔15〕sin2(Lk/2)η(Lk/2)2

dL2

E2ω。 〔16〕ηL∙∆k/21L∙∆k/2＝0，L是倍频晶体的通光长度，不等于0，故应∆k＝0，即相对光强-π相对光强-π0π2πL∙∆k/21L∙∆k/2的关系就是使

k2kk1 2

41

， 〔17〕nn2， 〔18〕称作相位匹配条件。速度。满足〔18〕式，就是要求基频光和倍频光在晶体中的传播速度相等。从这从而到达好的倍频效果。2ω―ω102数量级。k≠0。但对于各向2中画出了晶体中基频光和倍z 频光的两种不同偏振态折射率面间的θm 法线 关系。图中实线球面为基频光折射率面，z轴为光轴。nω nω

n2ωo

o eOn2ωe

体以此矢径为波法线方向的光波的折o光的折射率可以和图2负单轴晶体折射率球面 波沿着与光轴成θm角方向传播时，即θm叫做相位匹配角，θm可从下式中计算得出

sin2m

(n)2 o(n2)2e

(n2)2o(n2)2o

， (19)式中nn2n21列出几种常用的数值。o o e

1相位匹配角晶体晶体λ/μmnoneθm铌酸锂1.062.2312.15087o0.532.3202.230碘酸锂1.061.8601.71929o30′0.531.9011.750KD*P1.061.4951.45530o57′0.531.5071.467z方向的夹角，而不法线方向和光轴方向成θm3。Z 以上所述，是入射光以肯定θ 角度入射晶体，通过晶体的双m基频光ω 晶面法线

折射，由折射率的变化来补偿正常色散而实现相位匹配的，晶体 这称为角度相位匹配。角度相3非线性晶体的切割

oe光光子，o22单轴晶体的相位匹配条件晶体种类第一类相位匹配其次类相位匹配偏振性质 相位匹配条件偏振性质相位匹配条件正单轴eeon()n2oeo1[nn()]n2e mo2o e mo负单轴ooenn2()eoe1[n()n]n2()oem2e mo em本试验用的是负单轴铌酸锂晶体第一类相位匹配。相位匹配的方法除了前述的角度匹配外，还有温度匹配，这里不作细述。Ls2LsL光和倍频光振幅随距离的变化。假设晶体过Ls2LsL过短。例L<L，则转换效率比较低。L的大s s小根本给出了倍频技术中应当使用的晶体长图4晶体中基频光和倍频光振幅随 相位匹配角。所以在不降低入射光功率的情距离的变化 况下，以选用基横模或低阶横模为宜。IωI2ωt1tIωI2ωt1t2ν1ν1tνt1t22νt2t1ν2tν通过对倍频光脉冲宽度tv的观测，还可看到两种线宽都比基频频光强与入射基频光强的平方成比例的原因。图5′ ′5基频光与倍频光的脉宽及相对线宽的比较t1t1”时，功率为峰值的1/2，脉冲宽度∆t1＝t1”―t1，而在一样的时间间隔内，倍频光的功率样道理可得到倍频后的谱线宽度也会变窄。1064→532：IItheta=20.9phi=90@25CLBO匹配分两种,一种为非临界相位匹配,一种为临界相位匹配即角度匹配.后一种都是在常温下使用的,也可以依据不同的工作温度进展角度的调整。二次谐波的应用二次谐波成像是近年进展起来的一种三维光学成像技术，具有非线性光学成像所特有的高空间区分率和高成像深度，可避开双光子荧光成像中的荧光漂白效应。此外二次谐波信号对组织的构造对称性变化高度敏感，因此二次谐波成像对于某些疾病的早期诊断或术后治疗监测具有很好的生物医学应用前景.二次谐波英文名称：secondharmoniccomponent定义：将非正弦周期信号按傅里叶级数开放，频率为原信号频率两倍的正弦重量。SHG的一个必要条件是需要没要反演对称的介质其次是必需满足相位匹配，传播中的倍频光波和不断兴盛的倍频极化波保持了相位的全都性.系，就形成非正弦电流，从而产生谐波。ＳＨＧ试验装置ＳＨＧ试验装置按二次谐波信号收集方式可分为前向和后向，图２为前向和后向二次谐波产生的实验装置示意图．以图２〔ａ〕为例：由激光器产生的角频率为的入射基频光，经过物镜聚焦到样品上，产生频率为２的二次谐波，由另一个高数值孔径的物镜收集，滤光片〔一般为窄带滤光片〕滤掉激发光和可能产生的荧光和其他背景光，再用探测器件〔如ＰＭＴ〕和计算机系统进展信号的采集、存储、分析和显示．要实现二次谐波微成像需要对以下因素进展最优化考虑：超短脉冲激光、高数值孑Ｌ径的显微物镜、高灵敏度的非解扫面探测器、准相位匹配和具有高二阶非线性的样品Ｊ．激光器：掺Ｔｉ蓝宝石飞秒激光器因具有高重复频率〔８０ＭＨｚ〕和顶峰值功率，单脉冲能量低且町在整个近红外区〔７００～１０００ｎｍ〕内连续调谐，的重复频率，激发光的平均功率可相应提高，二次谐波信号也得到增加．物镜：一般状况般承受一长波滤光片和窄带滤光片〔带宽１０ｎｍ〕组合以过滤任何干扰信号．信号收集系统：为尽晕削减二次谐波信号在系统中的损失，提高系统的探测灵敏度，最好承受非解扫〔ｎｏｎ．ｄｅｓｃａｎｎｅｄ〕的信号．信号收集系统中的主要部件是ＰＭＴ探测器．首先，为收集整个二次谐波信号，需要探测器的接收面足够宽．其次，对于由可调谐Ｔｉ谐波信号处于３５０～５００ｎｍ－－次谐波信号．除了使用不同的滤光片外，二次谐波显微成像和双光子激发荧光显微成像在系统构造上是完全兼容的．已有人成功地将激光扫描共聚焦显微镜改造成双光子系统９，同样，也可以便利的用改造后的系统进展两者的复合成像二次谐波显微成像技术的进展及其在生物医学中的应用.细胞膜电压的测量对理解细胞信号传递过程有重要作用.使用适宜的膜染剂进展标记,通过对染剂分子的二次谐波显微成像,信号强度变化便能反映膜电压的大小.近年来,二次谐波显微成像的一个主要领域,就是进展具有高时空区分率及高灵敏度的活细胞中横跨膜电压的光学测量方法.ＳＨＧ成像用于膜电压测量细胞膜电压的测量对理解细胞信号传递过程有重要作用使用适宜的膜染剂进展标记，通过对染 剂分子的二次谐波显微成像，信号强度变化便能反映膜电压的大小．近年来，二次谐波显微成像的一个主要领域，就是进展具有高时空区分率及高灵敏度的活细胞中横跨膜电压的光学测量方法．１９９３年，ＯＢｏｕｅｖｉｔｃｈ等人¨证明，所加电场可猛烈地调制ＳＨＧ强度．１９９９年，ＰＪＣａｍｐａｇｎｏ！ａ等人则证明白ＳＨＧ信号随膜电压变化．试验结果说明，激发波长为８５０ｎｍ时，ＳＨＧ对膜电压的灵敏度为１８／１００ｍＶ，而ＴＰＥＦ只有１０／１００ｍＶ＿Ｊ．２００４年，Ａｎｄｒｅｗ等人进一步争论了苯乙烯基染剂产生的二次谐波信号对膜电压的敏感性．试验说明，使用８５０～９１０ｎｍ的激发波长，膜染剂ｄｉ－４．ＡＮＥＰＰＳ和ｄｉ４．ＡＮＥＰＭＰＯＨ使ＳＨＧ对膜电压的敏感度高达２０／１００ｍＶ，且由于共振增加，使用９５０—９７０ｎｍ的激发波长时，敏感度到达４０／１００ｍＶ．这些争论结果进一步稳固了ＳＨＧ在活细胞中膜电压的功能成像中的重要性．Ｃｏｒｎｅｌｌ毒性的有机染剂ＤＨＰＥＳＢＰ，对海参神经细胞进展二次谐波微成像〔如图５，并成功实现了脑组织巾的电脉冲成像¨，这对于解渎大脑工作过程，解释大脑退化疾病如Ａｌｚｈｅｉｍｅｒ’ｓ症等，具有巨大度、高空间区分率和对生物的低杀伤性特点，为活体测量供给了一种方法，有望成为组织形态学和生理