SPARK LASERS 飞秒激光器如何助力 Mini2P 微型双光子显微镜？

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SPARK LASERS 飞秒激光器如何助力 Mini2P 微型双光子显微镜？

摘要

Mini2P 是一种面向自由活动动物神经成像的微型双光子显微镜，具有体积小、重量轻、可穿戴等特点。但在系统搭建过程中，光纤耦合、群延迟色散补偿和长期稳定性往往是需要重点解决的问题。

SPARK LASERS 面向 Mini2P 提供了高度集成的飞秒激光解决方案。通过 FLeX 激光器的正群延迟色散（GDD）预补偿、工厂预耦合 HC-920 光纤以及抗振动、耐温变设计，该方案能够减少复杂光路调试工作，降低 Mini2P 的搭建和使用门槛。

本文将介绍该方案的工作原理及其在微型双光子神经成像中的应用价值。

关键词： Mini2P；微型双光子显微镜；飞秒激光器；SPARK LASERS；HC-920 光纤；神经钙成像；群延迟色散；活体神经成像

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一、Mini2P 微型双光子显微镜面临的光源挑战

双光子显微成像通常使用近红外飞秒脉冲激光作为激发光源。激光脉冲聚焦到样品后，通过双光子吸收激发荧光信号，从而实现对深层组织和活体神经元的成像。

Mini2P 的核心优势是可以安装在动物头部，使小鼠能够在相对自由的状态下完成行为实验和神经活动记录。不过，微型化也带来了几个实际问题：

• 激光需要稳定、高效地耦合进入显微镜；
• 光纤和光学元件会引入群延迟色散，使飞秒脉冲展宽；
• 传统外置补偿组件会增加系统体积和调试复杂度；
• 自由活动实验对抗振动、抗温度变化和长期稳定性提出了更高要求；
• 光路一旦发生偏移，可能影响激发效率和成像质量。

因此，Mini2P 所需的激光器不仅要提供足够的峰值功率，还要在光纤耦合、色散管理和机械稳定性方面进行系统级优化。

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二、SPARK LASERS 的集成化激光方案

SPARK LASERS 的解决方案主要围绕以下三个方面展开：

1. 在激光器内部完成群延迟色散预补偿；
2. 使用工厂预耦合的 HC-920 光纤；
3. 通过一体化设计提升系统的稳定性和易用性。

这种方案将原本分散在外部光路中的多个功能进行集成，使激光器更适合与 Mini2P 这类紧凑型双光子显微系统配合使用。

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三、FLeX 激光器的 GDD 预补偿能力

1. 为什么需要群延迟色散补偿？

飞秒脉冲在经过光纤、玻璃棒、透镜和其他光学元件时，不同频率成分的传播速度不同，脉冲会出现时间展宽。这种现象称为群延迟色散，通常简称为 GDD。

对于双光子显微镜而言，脉冲越短，瞬时峰值功率越高，双光子激发效率通常越好。如果脉冲在到达样品前已经明显展宽，就可能导致：

• 峰值功率下降；
• 双光子激发效率降低；
• 在相同平均功率下获得的荧光信号减少；
• 成像信噪比受到影响。

因此，光源系统需要在光路设计中对色散进行补偿。

2. 内置正 GDD 预补偿

FLeX 激光器内置最高可达 +120,000 fs² 的正 GDD 预补偿能力。通过在激光器输出端预先补偿后续光路可能引入的色散，可以减少或取消外部色散补偿组件。

对于 Mini2P 系统而言，这种设计具有以下优势：

• 减少外部玻璃棒、耦合盒等组件；
• 缩短光路，降低系统复杂度；
• 减少额外光学元件带来的损耗；
• 降低安装和调试难度；
• 有利于保持飞秒脉冲质量。

在实际系统设计中，具体补偿量仍需要根据光纤长度、透镜材料、玻璃厚度和显微镜光路进行匹配。

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四、HC-920 光纤预耦合带来的便利

传统 Mini2P 激光耦合方案往往需要用户自行完成光纤对准。光纤耦合效率不仅取决于光学元件质量，还与空间位置、角度、焦点以及光束模式有关。

如果采用多根玻璃棒和复杂耦合盒，通常需要反复调整：

• 光束横向位置；
• 光束角度；
• 聚焦位置；
• 光纤端面耦合状态；
• 输出光斑和发散角。

这类调试过程耗时较长，也容易受到温度、振动和操作经验的影响。

SPARK LASERS 采用工厂预耦合的 HC-920 光纤。用户在系统搭建时不必从零开始进行精密光纤对准，可以直接将光纤接入 Mini2P 光路。

其主要价值包括：

1. 缩短安装时间
   减少复杂的光学对准步骤。

2. 降低使用门槛
   对没有长期光纤耦合经验的实验人员更加友好。

3. 提高重复性
   工厂预耦合有助于保持不同设备之间的一致性。

4. 减少人为误差
   降低因对准偏差导致的耦合效率下降。

5. 便于后期维护
   光纤可以快速更换，有助于提高实验连续性。

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五、抗振动与耐温变设计

Mini2P 常用于动物行为实验。实验过程中可能存在动物运动、设备搬运、实验台振动以及环境温度变化等情况。

如果激光器和光纤耦合系统对机械扰动过于敏感，就可能出现光束漂移、耦合效率变化或成像信号波动。

SPARK LASERS 的集成式设计强调：

• 对环境振动具有较好的适应性；
• 能够承受一定范围内的温度变化；
• 减少对大型防振平台的依赖；
• 适合长时间连续实验。

对于自由活动小鼠成像，这些特性尤其重要。实验人员可以将更多精力集中在动物行为、神经信号采集和数据分析上，而不必频繁重新调整激光耦合状态。

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六、对 Mini2P 神经钙成像的意义

Mini2P 常用于记录自由活动小鼠的神经元活动，例如通过荧光指示剂或遗传编码钙指示器观察神经钙信号。

在这类实验中，光源系统需要同时满足以下要求：

• 输出脉冲稳定；
• 光纤传输后仍保持较好的脉冲特性；
• 激发功率能够满足双光子成像需求；
• 长时间运行时功率和光束状态变化较小；
• 不因频繁调试影响实验节奏。

SPARK LASERS 通过 GDD 预补偿和预耦合光纤，将光源、光纤和显微镜之间的匹配关系前置处理，有助于提高整个成像系统的可用性。

需要注意的是，最终成像效果还与物镜数值孔径、扫描机构、探测器灵敏度、样品标记效率以及成像深度等因素有关。激光器是系统的重要组成部分，但并不是唯一决定因素。

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七、传统方案与集成方案对比

对比项目	传统 Mini2P 光源方案	SPARK LASERS 集成方案
光纤耦合	用户自行调整	HC-920 光纤工厂预耦合
色散补偿	依赖外部组件	FLeX 激光器内置正 GDD 预补偿
光路复杂度	光学元件较多	结构更加紧凑
安装难度	对操作经验要求较高	接近即插即用
环境适应性	可能需要防振平台	强调抗振动、耐温变
维护方式	调试和排查步骤较多	光纤支持快速更换
适用场景	固定式实验室系统	微型化、便携式和自由活动成像

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八、如何选择 Mini2P 配套飞秒激光器？

在选型时，建议重点关注以下参数和条件。

1. 激发波长

激发波长需要与荧光蛋白、荧光染料以及显微镜光路匹配。不同神经标记物对激发波长的需求可能不同。

2. 脉冲宽度和重复频率

更短的脉冲通常有利于提高峰值功率，但还需要结合平均功率、热负荷和样品耐受性进行综合评估。

3. 光纤类型与长度

光纤会引入色散和传输损耗。选型时应确认光纤型号、长度、接口形式以及与 Mini2P 的兼容性。

4. GDD 补偿范围

应根据实际光路中的光纤、玻璃和透镜数量，确认激光器的色散预补偿范围是否满足需求。

5. 机械与环境稳定性

如果应用于自由活动动物实验，应重点考察设备对振动、温度变化和频繁移动的适应能力。

6. 售后和维护支持

预耦合光纤是否可以快速更换、是否有标准化接口以及厂商能否提供光路匹配支持，都会影响长期使用体验。

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九、总结

Mini2P 微型双光子显微镜为自由活动动物神经成像提供了更加灵活的技术路径，但它对飞秒激光光源的集成度、稳定性和易用性提出了更高要求。

SPARK LASERS 通过以下方式为 Mini2P 提供支持：

• FLeX 激光器提供最高约 +120,000 fs² 的正 GDD 预补偿；
• HC-920 光纤采用工厂预耦合设计；
• 减少外部耦合盒、玻璃棒和复杂调节机构；
• 提升系统的抗振动和耐温变能力；
• 支持光纤快速更换，便于维护和连续实验。

对于希望降低 Mini2P 搭建难度、提高系统稳定性并缩短调试时间的科研团队而言，集成化飞秒激光器是一种值得关注的光源方案。

本文根据公开技术资料整理改写，具体产品参数、适配型号和配置请以 SPARK LASERS 及相关供应商提供的最新技术文档为准。