[发明专利]一种超快时间分辨率和低激发阈值多光子荧光显微成像系统

说明书

本发明公开了一种超快时间分辨率和低激发阈值多光子荧光显微成像系统，包括飞秒激光器、自适应飞秒脉冲整形模块、荧光显微成像模块、压缩感知超快成像模块及计算通信模块；本发明通过飞秒激光器及自适应飞秒脉冲整形模块获得时域整形后的目标飞秒脉冲，并由荧光显微成像模块获得荧光显微信号，由压缩感知超快成像模块生成稀疏编码二维数字图像数据，并由计算通信模块对稀疏编码二维数字图像数据进行目标信号重构。本发明通过对飞秒激光脉冲进行波形整形和相位调制以及荧光信息的稀疏编码，能够降低多光子荧光过程的激发阈值，利用稀疏编码模型进行荧光寿命的估计，从而实现单脉冲的超快时间分辨率的低多光子激发阈值特性的单脉冲荧光显微成像。

技术领域

本发明涉及激光脉冲整形和计算光学成像技术领域，尤其是一种超快时间分辨率和低激发阈值多光子荧光显微成像系统。

背景技术

多光子荧光显微镜在物理上，与一般的单光子荧光过程本质上的不同是，多光子荧光激发就是一个荧光分子同时吸收两个或两个以上的长波长光子，激发出一个满足能量守恒和动量守恒的短波长光子。因此，多光子荧光技术相较于普通单光子技术对于生物荧光显微成像具有许多突出的优点——穿透深度深、分辨率高、信噪比高。但是，由于N个光子激发过程是一个非线性物理过程，荧光效率和荧光强度正比于激光脉冲峰值功率的N阶次方。因此过高能量的激光脉冲会破坏生物组织样品，过低的脉冲能量无法达到激发阈值，导致无法产生多光子荧光或者信噪比极低。因此，在目前的多光子荧光显微镜中，激发阈值和损伤阈值相互矛盾，限制了多光子荧光显微镜的发展。

随着近年来激光器的高速发展，飞秒激光器产生飞秒脉冲，具备超短脉冲、超高能量、宽频谱等特点。因此，基于红外波段飞秒激光的多光子荧光显微技术，除了具备多光子荧光显微的特点，还具有高峰值功率、低热效应、多个激发通道等优势。飞秒脉冲整形技术是基于飞秒脉冲啁啾技术，利用空间光调制器对飞秒脉冲进行频域尺度上的强度和相位调制，从而实现对飞秒脉冲的时域形状的调制。基于多光子激发过程的相位匹配原理，通过脉冲整形技术可以实现在光学手段上对多光子激发过程进行调控。

随着生命科学的发展，为了更好地研究生命过程，人们需要一种有效的光学显微成像技术对生物体内的过程实时观测。由于荧光寿命显微镜（Flurescence lifetimeimaging microscopy, FLIM）其在检测细胞活动时拥有专一性和敏感性的特点，FLIM技术目前在生物医学、材料科学、化学以及其他相关领域里正快速发展和应用推广。例如，用于研究蛋白质之间的相互作用、新陈代谢状态、药物作用的监测和分析、表征新材料、诊断早期癌症。从这些应用可以看出，在尽可能短的采样时间内获取所需FLIM数据是一个重要的课题。与单张相片拍摄不同，视频采样是一个对于三维时空连续测量的采样过程。由于视频成像的过程信息量庞大，电子器件的信息传输物理极限极大地限制了视频连续采样过程的重复频率，这对于扫描式的荧光寿命显微镜FLIM在连续拍摄上带了极大的挑战。因此，为了确保荧光寿命视频中每帧荧光寿命图的荧光寿命信息的同时性，或者说，为了确保单帧荧光寿命图的像素间的时延较低，利用单脉冲进行荧光寿命测量是目前很有潜力的发展方向。

随着计算科学和信息论的发展，压缩感知理论的出现，打破了传统的奈奎斯特采样定律，人们可以通过在采样的过程同时进行编码压缩，然后通过计算机算法对少量数据进行重构还原出完整的信号。结合了这种压缩感知采样理论的计算显微成像技术，能够突破传统相机直接成像所受到的器件限制，实现高于CMOS器件速率的超快成像速度。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种超快时间分辨率和低激发阈值多光子荧光显微成像系统，本发明通过飞秒激光器及自适应飞秒脉冲整形模块获得时域整形后的目标飞秒脉冲，并由荧光显微成像模块获得荧光显微信号，