顯微鏡中是否需要色散補償青扔？對于隨激發(fā)強度非線性縮放的成像過程源织，色散補償似乎可以明顯提高激發(fā)效率（即產(chǎn)生非線性信號光子的能力)翩伪。然而，評估色散補償系統(tǒng)對于信號光子產(chǎn)生的凈影響是非常重要的雀鹃。為了優(yōu)化顯微鏡的激發(fā)效率幻工，保持衍射極限焦斑，即該焦斑在時間上是傅里葉限制（脈寬的下限）的黎茎。正如球差會在空間上擴大聚焦體積并降低激發(fā)效率一樣囊颅，擴束鏡、掃描光學系統(tǒng)和顯微鏡物鏡中的色散會延長脈沖持續(xù)時間傅瞻，并降低脈沖質(zhì)量踢代。有多種策略可用于對這些光學器件的色散進行預(yù)補償，以確保傅里葉變換極限或接近傅里葉限制的聚焦脈沖嗅骄。值得注意的是胳挎，應(yīng)考慮補償方案本身的效率，以確保最終圖像中有可實現(xiàn)的增益溺森。例如慕爬，如果我們假設(shè)一個簡單的方波脈沖形狀，平均檢測到的二階信號可以估計為：
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多光子顯微鏡設(shè)計實用指南（9）
4.1色散補償
顯微鏡中是否需要色散補償姥卢？對于隨激發(fā)強度非線性縮放的成像過程，色散補償似乎可以明顯提高激發(fā)效率（即產(chǎn)生非線性信號光子的能力)渣聚。然而独榴，評估色散補償系統(tǒng)對于信號光子產(chǎn)生的凈影響是非常重要的。為了優(yōu)化顯微鏡的激發(fā)效率奕枝，保持衍射極限焦斑棺榔，即該焦斑在時間上是傅里葉限制（脈寬的下限）的。正如球差會在空間上擴大聚焦體積并降低激發(fā)效率一樣隘道，擴束鏡掷豺、掃描光學系統(tǒng)和顯微鏡物鏡中的色散會延長脈沖持續(xù)時間，并降低脈沖質(zhì)量薄声。有多種策略可用于對這些光學器件的色散進行預(yù)補償，以確保傅里葉變換極限或接近傅里葉限制的聚焦脈沖题画。值得注意的是默辨，應(yīng)考慮補償方案本身的效率，以確保最終圖像中有可實現(xiàn)的增益苍息。例如缩幸，如果我們假設(shè)一個簡單的方波脈沖形狀壹置，平均檢測到的二階信號可以估計為：
N:脈沖重復頻率 E:脈沖能量 ：脈沖持續(xù)時間 A:面積 。在這種情況下表谊，我們研究二階非線性钞护，例如 TPEF 或 SHG。值得注意的是爆办，我們看到檢測到的信號與脈沖持續(xù)時間成反比难咕。如果我們的補償方案將脈沖持續(xù)時間變?yōu)樵瓉淼?/2倍，檢測到的信號將增加 2 倍距辆。但是余佃，如果我們的補償方案的傳輸為 50%（Etransmitted=0.5 × Eincident），即使脈沖持續(xù)時間減少跨算，凈檢測信號實際上下降了 2 倍爆土。因此對于色散補償方案的任何考慮坤检，正如這個簡單的分析所概述的那樣铜异，都應(yīng)該包含傳輸效率工坊。一個有用的經(jīng)驗法則是钝的，對于二階非線性借尿，如果補償系統(tǒng)的傳輸效率為α玻墅，脈沖寬度變?yōu)樵鹊摩卤睹硎铮瑒tα2β必須大于1才能實現(xiàn)測量的信號增益：
例如蟋滴，如果我們能夠?qū)⒚}沖持續(xù)時間變?yōu)樵鹊?/2倍媳板，即β=2桑腮，那么上述經(jīng)驗表明我們需要補償器的傳輸效率 α 大于 71%。
在顯微鏡中蛉幸，掃描光學元件破讨、套筒鏡頭、二向色鏡和物鏡的組合可以產(chǎn)生5000 fs2數(shù)量級的GDD奕纫。對于許多用戶來說提陶，脈沖持續(xù)時間~100 fs，顯微鏡的適度色散為~3300 fs2匹层，脈沖展寬到~130 fs隙笆，這30%的增加將補償臂效率限制為>88%。
考慮到傳輸效率升筏，影響補償器選擇的第二個決定是補償高階色散的能力撑柔，這也會限制脈沖持續(xù)時間。表2列出了玻璃您访、棱鏡铅忿、光柵和棱柵 (grating+prism)的GDD和TOD的符號.表2顯示玻璃通常表現(xiàn)出正的GDD和 TOD，我們一般希望補償器與色散的大小相匹配灵汪，但符號相反檀训。很明顯,由于TOD符號不匹配而導致光柵很快就會受到限制：光柵的TOD 色散會增加玻璃的色散柑潦，因此，用于多光子顯微鏡的大多數(shù)補償器都采用棱鏡峻凫。棱鏡可以以布魯斯特角切割渗鬼，因此，棱鏡補償器具有優(yōu)良的傳輸效率荧琼。棱鏡玻璃材料的選擇至關(guān)重要譬胎。像 SF10 這樣的玻璃很受歡迎，因為由這些材料制成的棱鏡具有高度色散性铭腕，所以制造處的棱鏡幾何結(jié)構(gòu)緊湊银择。 然而，雖然來自棱鏡的 TOD 具有正確的符號累舷，但在色散大小量級上卻是錯誤的浩考。 因此，由于棱鏡補償器的作用被盈，聚焦時的脈沖持續(xù)時間很快為TOD限制析孽。 這推動玻璃選擇例如熔融石英材料。 熔融石英棱鏡最終仍會限制TOD補償只怎，但可以在顯微鏡中小于 20 fs 持續(xù)時間的脈沖可以被補償袜瞬，這對于大多數(shù)系統(tǒng)來說已經(jīng)足夠了。
選擇色散較少的玻璃需要更大的棱鏡間隔身堡。但是邓尤，通過仔細選擇幾何形狀仍然可以產(chǎn)生緊湊的幾何形狀，如Akturk 等人所證明的贴谎。他們將單個棱鏡與角錐棱鏡和屋頂反射鏡結(jié)合使用汞扎，創(chuàng)建了一個緊湊的色散補償系統(tǒng)，具有良好的吞吐量（throughput） 擅这。使用PBH71玻璃澈魄，在800nm處達到15000 fs2色散，傳輸效率為75%仲翎。 在這種情況下痹扇，角錐棱鏡和棱鏡之間的位移僅為30厘米。 該系統(tǒng)的一大優(yōu)點是單棱鏡設(shè)計更適用于波長在較寬范圍內(nèi)調(diào)諧的系統(tǒng)溯香。Akturk 等人表明鲫构，棱鏡只需要旋轉(zhuǎn) 10° 即可適應(yīng) 700-1100 nm 的波長范圍。
色散補償方法的一個顯著變化是鏡面鍍膜的可用性玫坛，該鏡面膜具有適用于脈沖寬度校正的GDD芬迄，同時在寬波長范圍 (0.7-1.0 μm) 內(nèi)保持高反射率 (>99%)。例如，涂層可能在800 nm處具有-200 fs2的GDD禀梳。對于具有3000–5000 fs2 數(shù)量級色散的顯微鏡，完全對GDD 補償需要15–25 次涂層反射肠骆。凈傳輸則為 78%–86%算途。對于800 nm的100fs 脈沖，此色散范圍等同于從130到150 fs 展寬的脈沖蚀腿，這意味著由于脈沖寬度減小而導致的信號增益幾乎完全被傳輸損耗抵消嘴瓤。
有趣的是，對于大多數(shù)材料莉钙，TOD 與 GDD 的比率相對恒定廓脆。在800 nm 處，該比率約為0.247 fs磁玉。棱鏡補償器的 TOD 與 GDD 的比率與材料的比率不匹配停忿，因此，棱鏡補償器本身最終成為在焦點處實現(xiàn)傅里葉限制脈沖的限制元件蚊伞∠福刻在在棱鏡上的光柵（或光柵和棱鏡僅由一個小空氣間隔）的組合稱為棱柵（Grisms）。 棱柵不僅具有正確的GDD 和 TOD校正符號时迫，而且可以設(shè)計為具有 0.247 fs 的正確比率颅停。因此，對于較大的材料路徑長度掠拳，棱柵能夠?qū)崿F(xiàn)四相限制(quartic-phase-limited)的色散補償癞揉。它們可以配置為可實現(xiàn)>70% 的吞吐量。 當顯微鏡中的玻璃路徑長度變得很重要時溺欧，棱鏡是最佳選擇：大約 10000 fs2喊熟。
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