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来开发的一种三维光学成像技术，在双光子荧光成像中，为了避免荧光漂白效果，非线性光学成像具有独特的高空间分辨率和高成像深度。这种外部二次谐波信号对组织的结构对称变化非常敏感，因此二次谐波成像在某些疾病的早期诊断或术后治疗监测方面具有很好的生物医学应用前景。二次谐波英文名称：second harmonic component定义：将非正弦周期信号扩展到原始信号频率的两倍傅立叶级数。SHG的一个必要条件是不需要反转对称的介质必须满足相位匹配。无线电波的倍频宽波和繁荣的倍频极化保持相位的一致性。谐波的根本原因是非线性负荷。电流通过负载时，如果与添加的电压没有线性关系，则形成非正弦电流，从而产生谐波。Shg实验装置SHG实验装置可以通过二次谐波信号采集方式分为前后方向，图2是由前后二次谐波产生的实际检测装置的示意图。图2 (a)中的示例：通过激光产生的每个频率的入射基本频率、通过物镜聚焦样品、生成频率为2的二次谐波、通过其他高数字光圈的物镜收集、滤波器(通常是窄带滤波器)过滤激发光线和可能的荧光以及其他背景光。使用探测设备(如Pmt)和计算机系统收集、存储、分析和显示信号。二次谐波显微成像，包括超短脉冲激光、高值一次直径显微镜镜、高灵敏度非扫面探测器、准相位匹配和高次非线性的样品j .激光：ti蓝宝石飞秒激光由于高重复频率(80mhz)和高峰值功率，单脉冲能量低，精秒在整个近红外区域(700 1，000 nn)激光的重复频率也影响SHG，如果提高激发光的重复频率，激发光的平均功率可以相应地增加，二次谐波信号也可以得到改善。物镜：一般来说，二次谐波主要不是轴向发射。也就是说，在收集信号时，必须有足够大的值单l路径，以便有效地接收整个二次谐波信号。过滤器：为了确保收集的信号是二次谐波信号，必须使用过滤器。通常，使用长波过滤器和窄带过滤器(带宽10 nm)的组合来过滤干扰信号。信号采集系统：为了进行净额结算，最大限度地减少系统中二次谐波信号的损失，提高系统的检测灵敏度。de scanned)信号。信号采集系统的主要组件是PMT探测器。首先，为了收集整个二次谐波信号，探测器的接收面必须足够宽。其次，对于可变ti:蓝宝石飞秒激光，接收的二次谐波信号是350 500nm波段，因此可以使用双碱阴极光电倍增管。这里的光波长离探测器的响应区域很远，因此可以有效地搜索n-二次谐波信号。除了使用其他过滤器外，二次谐波显微镜和双光子激发荧光显微镜检查在系统结构方面具有完整的功能。正如成功将激光扫描共聚焦显微镜转换为双光子系统9一样，使用转换后的系统合成这两者可能会很方便二次谐波显微成像技术的开发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。通过使用适当的膜染色剂进行标记，染料分子的二次谐波显微摄影，信号强度变化可以反映膜电压的大小。近年来，二次谐波显微镜检查的主要领域是开发高时空分辨率、高灵敏度活细胞中跨膜电压的光学测量方法。Shg成像用于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。通过使用适当的膜染色剂进行标记，染料分子的二次谐波显微摄影，信号强度变化可以反向反映膜电压的大小。近年来，二次谐波显微成像的主要领域之一是在具有高时空分辨率和灵敏度的活细胞内开发膜电压的光学测量方法。1993年o-boue vitch等证明了添加的电场能强烈调制SHG强度。1999年p j camp agno！a等证明了SHG信号随薄膜电压的变化。实验结果进一步研究了SHG在激发波长为850nm时对薄膜电压的敏感度为18/100 mv，而tpef在10/100 mv _ J. 2004年andrw等由苯乙烯基染料产生的二次谐波信号对膜电压的敏感度。实验结果表明，使用850 9 10 nm激发波长的膜染色剂di-4。ane PPS和di4。anepampoh使SHG对膜电压的敏感度达到20/100 mv，由于共振增强，使用950-970 nm的激发波长时，灵敏度达到40/100mv。这项研究结果进一步巩固了SHG在活细胞膜电压功能成像中的重要性。最近，Cornell大学的科学家们利用毒性低的有机染色剂dhpessbp进行海参神经细胞的二次谐波微成像(图5)，成功实施了大脑中毛巾的电脉冲成像，在消除大脑亵渎的工作过程中解释了阿尔茨海默病等大脑退行性、高空间分辨率、对生物的低杀伤特性，提供了测量活体学的新方法，将成为组织形态和生理学研究的有力工具。目的、神经学、药理学及疾病早期断流的SHG应用研究有所进展。但是，二次谐波图像还是一种不成熟的技术。随着研究的进行，其应用还将进一步发展。随着微光纤技术的发展，二次谐波成像技术还可以将人体内镜检查与光纤光学相结合，使体内深处的组织在分子水平上成像。随着信号检测技术和计算机技术等的发展，还可以使用二次谐波成像实时观察生物细胞活动。由于次谐波显微镜对肌纤维长度的准确度达到了20nm _，因此对体内未标记心脏和肌肉组织的纳米药理学研究也将起到很大的作用。本实验室在研究中结合 2次谐波成像、共焦显微成像和双光子激发荧光摄影，根据视网膜的层次和特性，揭示了视网膜的正常生理结构和病变部位，为视网膜的早期诊断提供了三维高分辨率监狱的新方法相位匹配及其实现方法实验结果证明，只有具有特定偏振方向的线偏振，以特定角度入射晶体才能达到好的倍频效果，以不同角度入射的话，倍频效果很差，或者干脆倍频不发光。根据倍频转换效率的定义，(15)理论上可以推导出来，即可从workspace页面中移除物件。(16)和lk/2关系曲线如图1所示。要获得最大转换效率，lk/2=0，l是倍频晶体的光长度，不是0，因此k=0，也就是说0-2-2Lk/2相对亮度图1倍频效率与lk/2的关系，(17)制作，(18)N 和n2分别是晶体对基波和双频光的折射率。也就是说，只有当基本频率和倍频具有相同的光折射率时，好的倍频才能产生效果，而食(18)是提高效率的必要条件，称为相位匹配条件。V=c/n ，v2=c/N2 ，因此V和v2分别是晶体中基本和双频光的传播速度。满足(18)型是基本频率光和倍频光在晶体中必须以相同的速度传播。在这里，我们可以清楚地看到所谓相位匹配条件的物理实体，当基本频率光沿着确定路径在各点产生的倍频将光传播到发射面时，具有相同的相位，从而提高相互干扰，从而达到好的倍频效果。实现相位匹配条件的方法：一般介质具有正常色散效应，因此高频折射率大于低频光源的折射率，如n2-n 。K 0。但是，在各向同性晶体中，存在双折射，因此，可以使用不同偏振之间的折射率关系找到实现k=0的相位匹配条件。此方法通常用于负1轴确定，下面以负1轴确定为例。图2说明了晶体的基本频率光和双频光的两个不同偏振状态折射率表面之间的关系。在图中，实线球体是基本频率光折射率面，点线球体是双频光折射率面，球体是o光折射率面，椭球是e光折射率面，z轴是光轴。teta m法线欧米茄尼No2新oz图2负单轴晶体折射率球面折射率面的定义：从向心发出的每个矢量路径到达面上某一点的长度，表示该矢量在波法线方向的光波的折射率大小。实现相位匹配条件的方法之一是找到实际和虚拟面交点位置，求出通过此交点的矢量直径和光轴的角度。如图所示，在基本频率下，o光的折射率可以与倍频在光中e光的折射率相同，因此，在光波在光轴和m角方向传播时，可以实现相位匹配。m称为相位匹配角度，m在下面计算，(19)可以在表中找到，表1列出了一些常用值。表1相位匹配角度晶体/m否Neteta m铌酸锂1.062.2312.15087o0.532.3202.230碘酸锂1.061.8601.71929o 30 0.531.9011.750KD*P1.061.4951.45530o 57 0.531.5071.467相位匹配角度不是相对于入射面法线的角度，而是相对于确定中默认频率光源z方向的角度。为了减少反射损失和便于调整，实验通常希望基本频率光双向进入晶体表面。因此，当倍频加工晶体时，必须按一定的方向切割，以便晶体的法线方向和光轴方向为m(见图3)。基本频率光zteta m图3非线性晶体切割晶面法线晶体如上所述，入射光是通过正双折射补偿正常色散实现相位匹配的入射光，称为角度相位匹配。角度拓扑匹配可以分为两类。第一个类别是入射相同种类的线偏振，负单轴晶体将两个e光子转换为一个双频o光子。第二类是线性偏振，它包含入射光中的o光和e光，负单轴晶体将两个不同的光子更改为双频e光子，正单轴晶体更改为双频o光子。请参阅表2表2单轴晶体的相位匹配条件决定类型匹配第一种类型的拓扑匹配第二种类型的拓扑偏振特性拓朴相符条件偏振特性拓朴相符条