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Advanced Photonics 2025年第4期文章：

Jinhai Zou, Hongsen He, Luming Song, Lu Huang, Jingbin Lan, Lan Lan, Tingting Chen, Cihang Kong, Zhipei Sun, Zhengqian Luo, "Sub-100-fs deep-red mode-locked fiber laser for multicolor two-photon microscopy," Adv. Photon. 7, 046009 (2025)

背景介绍

随着飞秒激光技术的持续突破，其在生物医学研究中的关键作用日益凸显。如今，采用基于高性能飞秒激光器的高分辨显微成像技术，科研人员已实现实时观测活体细胞内多种生物分子的动态行为，并实现对蛋白质相互作用、基因表达等生命过程的精准解析。然而，传统的钛宝石飞秒激光器和复杂的近红外激光频率转换系统都面临着诸多局限：前者体积庞大、价格高昂；后者尽管能够实现深红波段激光，但由于复杂的非线性转换过程导致效率低下、系统不稳定，无法满足活体样本长时程观测的激光稳定性要求……上述限制阻碍了科学家们更深入、更高效地探索物质的微观世界。

近日，厦门大学、国防科技大学、复旦大学和芬兰阿尔托大学的联合研究团队成功研制出波长为716.6 nm、脉宽低至83 fs的深红光锁模掺镨光纤激光器，该激光器采用掺镨光纤作增益介质，并融合非线性偏振旋转（NPR）锁模技术与精密色散管理，可实现高稳定的自启动锁模。由于该激光器波长正处于多种常用荧光染料双光子激发谱的交汇点，因此可同时高效激发蓝、绿、红荧光标记物，进而在无需波长切换的情况下实现高效多色显微成像。此外，由于本研究开发的深红光飞秒锁模掺镨光纤激光器的波长小于传统的近红外波段激光器（例如1064 nm），因此通过该短波长激光器还可实现双光子显微成像理论分辨率约33%的提升、对多种红色荧光蛋白双光子激发效率的提升，最高可达近4倍。研究成果对于疾病机理研究、药物开发、神经活动观测等生物医学领域中的显微成像应用具有重要意义，该研究以“Sub-100-fs deep-red mode-locked fiber laser for multicolor two-photon microscopy”为题发表在Advanced Photonics 期刊2025年第4期。论文第一作者为邹金海副研究员、何宏森助理教授，通讯作者为罗正钱教授，合作者包括复旦大学的孔慈航副研究员、阿尔托大学的孙志培教授。光源革新：实现制备亚100飞秒深红光锁模光纤激光

光源性能瓶颈一直制约着双光子显微成像技术的发展。在传统方案中，钛宝石激光器体积庞大、成本高昂；近红外激光经非线性频率转换后稳定性降低……针对上述技术瓶颈的局限，该研究在多方面开展研发攻关，研制了亚100 fs深红光锁模光纤激光器。本研究采用掺镨氟化物光纤作为增益介质，显著提升了量子效率。其工作原理为：采用443 nm激光将Pr³⁺的粒子数从³H₄能级激发至³P₂能级，经非辐射跃迁到³P₀能级后，再通过³P₀→³F₄受激辐射跃迁，最终产生717 nm深红光激射。相比传统非线性变频方案，该方案大幅提升了激发光能量的利用率，避免了能量的显著损耗。

图1 深红光飞秒锁模光纤激光器的示意图和照片

在实现深红光飞秒锁模方面，研发团队创新性地采用非线性偏振旋转（NPR）作为锁模核心机制，并辅以精密色散管理技术，成功研制出该波段首台兼具自启动能力和超高稳定性的飞秒锁模激光器。具体而言：通过采用双半波片（HWP，Quarter-Wave Plate）与四分之一波片（QWP，Quarter-Wave Plate）精密调控腔内偏振态；偏振相关隔离器（PD-ISO，Polarization-Dependent Isolator）作为单向阀抑制光路中的反向光，同时提供”强度-偏振”选择；线数为1398 线/mm的透射光栅对提供-2.95 ps⟡/m的反常色散以补偿光纤的正常色散（+0.0626 ps⟡/m）。上述三模块协同作用，共同形成了实现宽谱锁模所需的“强度-偏振-色散”条件，从而有效抑制脉冲展宽，确保了稳定的单向锁模运转的实现。该激光器成功输出重频为73.7 MHz 的超稳脉冲序列，一举攻克了深红光波段长期存在的锁模困难与稳定性差的难题。关键突破在于：通过将腔内净色散精细调控至近零值（+0.005 ps⟡），团队成功实现了光谱带宽达 13.0 nm 的深红光锁模光纤激光输出，突破了该波段的理论增益带宽限制，并最终获得了脉宽仅为83 fs 的深红光飞秒激光。

应用于多色双光子显微成像，实现更好地观测生物微观世界

基于亚100 fs深红光锁模掺镨光纤激光器，研究在单次扫描内同步激发小鼠肾脏切片中的多种结构——经DAPI标记的细胞核（蓝色）、Alexa Fluor 488标记的肾小球和曲小管（绿色）以及Alexa Fluor 568标记的丝状肌动蛋白（红色），相关成像结果如图2（a-c）所示。与传统的分时扫描技术相比，该技术不仅大幅度提升了成像效率，同时可以实现多种结构的同步观测；此外，由于显微镜的分辨能力与激发波长成反比，因此在使用相同数值孔径物镜的情况下，基于本研究开发的716.6 nm深红光飞秒锁模掺镨光纤激光器的理论分辨率还能够较传统1064 nm光源提升33%，实测的点扩散函数的半高宽为382 nm （0.9 NA），如图2（d）所示；一系列红色荧光蛋白（mCherry、tdTomato、mStrawberry等）的激发谱在717 nm波段显著增强，如图2（e）所示，其中mCherry的双光子激发效率是1064 nm附近的4倍；研究还通过该激光器对活体进行了成像，如图2（f-g）所示， 在mCherry标记的线虫（C. elegans）肠道成像实验中，获得了清晰的肠腔褶皱图像。

图2 深红光锁模飞秒光纤激光器作为激发光源在双光子显微镜中的应用：（a）激发蓝、绿和红荧光标记物的复合双光子图像；（b）DAPI、AF488、AF568的发射光谱；（c）三种染料的分离图像；（d）实测的点扩散函数；（e）mCherry、tdTomato、mStrawberry的双光子激发光谱；（f-g）mCherry标记线虫肠腔双光子成像实验结果

总结与展望

如今，光纤激光器技术正蓬勃发展，其在生物成像方面的前沿应用也将对医疗健康领域起到有力的推动作用。该研究制备的716.6 nm波长、83 fs脉宽深红光锁模掺镨光纤激光器，不仅攻克了单波长同步激发多色荧光标记的难题，且在无需波长切换操作的情况下，可以将双光子显微成像分辨率提升33%，并提升对多种红色荧光蛋白的双光子激发效率，最高可达近4倍。未来，通过推动其在脑皮层神经元动态监测等微观医学领域的应用等进一步研究开发，新型光纤激光器还将助力人类在癌症早筛、脑科学解密等领域开启新纪元。

期刊简介 

Advanced Photonics（AP）创刊于2019年，是一本重点关注新兴光学领域的基础与应用研究成果、聚焦最新及快速发展的光学与光子学学科的国际OA期刊。期刊2021年被SCI收录，最新影响因子18.8，中国科学院期刊分区列一区，入选中国科技期刊卓越行动计划（二期）。创刊以来AP发表了众多国际顶尖学者的高水平学术论文，并以采访、新闻、评论等丰富的形式，展现了光学与光子学领域的最近进展。姊妹刊Advanced Photonics Nexus（APN）接收AP的快速转投和自然来稿，致力于成为既发表基础研究类又发表工程应用类文章的综合性大刊，2025年获首个影响因子6，2024年入选中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊项目。

转载自  中国激光杂志社 微信公众号

厦门大学电子科学与技术学院

（国家示范性微电子学院）