1、 二次諧波的應用 二次諧波成像是近年發展起來的一種三維光學成像技術，具有非線性光學成像所特有的高空間分辨率和高成像深度，可避免雙光子熒光成像中的熒光漂白效應。 此外二次諧波信號對組織的結構對稱性變化高度敏感，因此二次諧波成像對于某些疾病的早期診斷或術后治療監測具有很好的生物醫學應用前景.二次諧波 英文名稱：second harmonic component 定義：將非正弦周期信號按傅里葉級數展開，頻率為原信號頻率兩倍的正弦分量。 SHG的一個必要條件是需要沒要反演對稱的介質其次是必須滿足相位匹配，傳播中的倍頻光波和不斷昌盛的倍頻極化波保持了相位的一致性.諧波產生的根本原因是由于非線性負載所致。

2、當電流流經負載時，與所加的電壓不呈線性關系，就形成非正弦電流，從而產生諧波。 實驗裝置實驗裝置按二次諧波信號收集方式可分為前向和后向，圖為前向和后向二次諧波產生的實驗裝置示意圖以圖（）為例：由激光器產生的角頻率為的入射基頻光，經過物鏡聚焦到樣品上，產生頻率為的二次諧波，由另一個高數值孔徑的物鏡收集，濾光片（一般為窄帶濾光片）濾掉激發光和可能產生的熒光和其他背景光，再用探測器件（如）和計算機系統進行信號的采集、存儲、分析和顯示要實現二次諧波微成像需要對以下因素進行最優化考慮：超短脈沖激光、高數值孑徑的顯微物鏡、高靈敏度的非解掃面探測器、準相位匹配和具有高二階非線性的樣品激光器：摻藍寶石飛秒激光器

3、因具有高重復頻率（）和高峰值功率，單脈沖能量低且町在整個近紅外區（）內連續調諧，所以是二次諧波顯微成像的理想光源激光的重復頻率對也有影響，如果提高激發光的重復頻率，激發光的平均功率可相應提高，二次諧波信號也得到增強物鏡：一般情況下，二次諧波主要非軸向發射，即信號收集時必須有一個足夠大的數值孑徑來有效接收整個二次諧波信號濾光片：為保證所收集的信號為二次諧波信號，必須使用濾光片一般采用一長波濾光片和窄帶濾光片（帶寬）組合以過濾任何干擾信號信號收集系統：為盡暈減少二次諧波信號在系統中的損失，提高系統的探測靈敏度，最好采用非解掃（）的信號信號收集系統中的主要部件是探測器首先，為收集整個二次諧波信號，需

4、要探測器的接收面足夠寬其次，對于由可調諧：藍寶石飛秒激光器，要接收的二次諧波信號處于波段，故可采用雙堿陰極光電倍增管由于激發光波長離探測器的響應區很遠，故可有效探次諧波信號除了使用不同的濾光片外，二次諧波顯微成像和雙光子激發熒光顯微成像在系統結構上是完全兼容的已有人成功地將激光掃描共聚焦顯微鏡改造成雙光子系統，同樣，也可以方便的用改造后的系統進行兩者的復合成像二次諧波顯微成像技術的發展及其在生物醫學中的應用. 細胞膜電壓的測量對理解細胞信號傳遞過程有重要作用. 使用合適的膜染劑進行標記, 通過對染劑分子的二次諧波顯微成像, 信號強度變化便能反映膜電壓的大小. 近年來, 二次諧波顯微成像的一個主

5、要領域, 就是發展具有高時空分辨率及高靈敏度的活細胞中橫跨膜電壓的光學測量方法.成像用于膜電壓測量細胞膜電壓的測量對理解細胞信號傳遞過程有重要作用使用合適的膜染劑進行標記，通過對染劑分子的二次諧波顯微成像，信號強度變化便能反映膜電壓的大小近年來，二次諧波顯微成像的一個主要領域，就是發展具有高時空分辨率及高靈敏度的活細胞中橫跨膜電壓的光學測量方法年，等人¨證明，所加電場可強烈地調制強度年，！等人則證明了信號隨膜電壓變化實驗結果表明，激發波長為時，對膜電壓的靈敏度為，而只有年，等人進一步研究了苯乙烯基染劑產生的二次諧波信號對膜電壓的敏感性實驗表明，使用的激發波長，膜染劑和使對膜電壓的敏感

6、度高達，且由于共振增強，使用的激發波長時，敏感度達到這些研究結果進一步鞏固了在活細胞中膜電壓的功能成像中的重要性最近，大學的科學家，通過使用一種低毒性的有機染劑，對海參神經細胞進行二次諧波微成像（如圖），并成功實現了腦組織巾的電脈沖成像¨，這對于解瀆大腦工作過程，解釋大腦退化疾病如癥等，具有巨大度、高空間分辨率和對生物的低殺傷性特點，為活體測量提供了一種新方法，有望成為組織形態學和生理學研究的個強大工具目的，在神經科學、藥理學及疾病早期斷方面的應用研究已取得一些進展但二次諧波成像還是一¨不很成熟的技術，隨著研究的逐步深入，對它的應用仍然有待進一步的開發隨著微光纖技術的發展，

7、二次諧波成像技術還可與光纖光學結合進行人體內窺鏡檢查，實現活體生物體內深處的組織在分子水平的成像隨著信號檢測技術和計算機技術等的發展，還可運用二次諧波成像實時觀察生物細胞活動由于二次諧波顯微應用于肌纖維長度的精確度已達到¨，活體未標記心臟和肌肉組織的納米藥理學研究也將發揮很大的作用本實驗室正著手研究將次諧波成像、共聚焦顯微成像以及雙光子激發熒光成像結合，根據視網膜的分層結構和特點，采用不方法成像，進而揭示視網膜的正常生理結構及病變部位，為視網膜疾病的早期診斷提供一種新型的具有三維高空間分辨牢的手段相位匹配及實現方法實驗證明，只有具有特定偏振方向的線偏振光，以某一特定角度入射晶體時，才

8、能獲得良好的倍頻效果，而以其他角度入射時，則倍頻效果很差，甚至完全不出倍頻光。根據倍頻轉換效率的定義， （15）經理論推導可得。 （16）與Lk/2關系曲線見圖1。圖中可看出，要獲得最大的轉換效率，就要使Lk/20，L是倍頻晶體的通光長度，不等于0，故應k0，即0-2-2Lk/2相對光強圖1 倍頻效率與Lk/2的關系， （17）就是使， （18）n和n2分別為晶體對基頻光和倍頻光的折射率。也就是只有當基頻光和倍頻光的折射率相等時，才能產生好的倍頻效果，式（18）是提高倍頻效率的必要條件，稱作相位匹配條件。由于vc/n，v2c/n2，v和v2分別是基頻光和倍頻光在晶體中的傳播速度。滿足（18）式

9、，就是要求基頻光和倍頻光在晶體中的傳播速度相等。從這里我們可以清楚地看出，所謂相位匹配條件的物理實質就是使基頻光在晶體中沿途各點激發的倍頻光傳播到出射面時，都具有相同的相位，這樣可相互干涉增強，從而達到好的倍頻效果。實現相位匹配條件的方法：由于一般介質存在正常色散效果，即高頻光的折射率大于低頻光的折射率，如n2n大約為102數量級。k0。但對于各向同性晶體，由于存在雙折射，我們則可利用不同偏振光間的折射率關系，尋找到相位匹配條件，實現k0。此方法常用于負單軸晶體，下面以負單軸晶體為例說明。圖2中畫出了晶體中基頻光和倍頻光的兩種不同偏振態折射率面間的關系。圖中實線球面為基頻光折射率面，虛線球面為

10、倍頻光折射率面，球面為o光折射率面，橢球面為e光折射率面，z軸為光軸。m法線noneno2ne2O z圖2 負單軸晶體折射率球面折射率面的定義：從球心引出的每一條矢徑到達面上某點的長度，表示晶體以此矢徑為波法線方向的光波的折射率大小。實現相位匹配條件的方法之一是尋找實面和虛面交點位置，從而得到通過此交點的矢徑與光軸的夾角。圖中看到，基頻光中o光的折射率可以和倍頻光中e光的折射率相等，所以當光波沿著與光軸成m角方向傳播時，即可實現相位匹配，m叫做相位匹配角，m可從下式中計算得出， (19)式中都可以查表得到，表1列出幾種常用的數值。表1 相位匹配角晶體/mnonem鈮酸鋰1.062.2312.1

11、5087o0.532.3202.230碘酸鋰1.061.8601.71929o300.531.9011.750KD*P1.061.4951.45530o570.531.5071.467注意，相位匹配角是指在晶體中基頻光相對于晶體光軸z方向的夾角，而不是與入射面法線的夾角。為了減少反射損失和便于調節，實驗中一般總希望讓基頻光正入射晶體表面。所以加工倍頻晶體時，須按一定方向切割晶體，以使晶體法線方向和光軸方向成m，見圖3。基頻光Zm圖3 非線性晶體的切割晶面法線晶體以上所述，是入射光以一定角度入射晶體，通過晶體的雙折射，由折射率的變化來補償正常色散而實現相位匹配的，這稱為角度相位匹配。角度相位匹配

12、又可分為兩類。第一類是入射同一種線偏振光，負單軸晶體將兩個e光光子轉變為一個倍頻的o光光子。第二類是入射光中同時含有o光和e光兩種線偏振光，負單軸晶體將兩個不同的光子變為倍頻的e光光子，正單軸晶體變為一個倍頻的o光光子。見表2表2 單軸晶體的相位匹配條件晶體種類第一類相位匹配第二類相位匹配偏振性質相位匹配條件偏振性質相位匹配條件正單軸負單軸本實驗用的是負單軸鈮酸鋰晶體第一類相位匹配。相位匹配的方法除了前述的角度匹配外，還有溫度匹配，這里不作細述。LsL2Ls圖4 晶體中基頻光和倍頻光振幅隨距離的變化在影響倍頻效率的諸因素中，除前述的比較重要的三方面外，還需考慮到晶體的有效長度Ls和模式狀況。圖

13、4為晶體中基頻光和倍頻光振幅隨距離的變化。如果晶體過長，例L>Ls時，會造成倍頻效率飽和；晶體過短。例L<Ls，則轉換效率比較低。Ls的大小基本給出了倍頻技術中應該使用的晶體長度。模式的不同也影響轉換效率，如高階橫模，方向性差，偏離光傳播方向的光會偏離相位匹配角。所以在不降低入射光功率的情況下，以選用基橫模或低階橫模為宜。 圖5 基頻光與倍頻光的脈寬及相對線寬的比較II2t1t2t1tt1t2t2t11221 5  倍頻光的脈沖寬度和線寬通過對倍頻光脈沖寬度t和相對線寬v的觀測，還可看到兩種線寬都比基頻光變窄的現象。這是由于倍頻光強與入射基頻光強的平方成比例的緣

14、故。圖5中，假設在tt0時。基頻和倍頻光具有相同的極大值。基頻光在t1和t1'時，功率為峰值的1/2，脈沖寬度t1t1't1，而在相同的時間間隔內，倍頻光的功率卻為峰值的1/4，倍頻光的半值寬度t2 't2< t1't1,即t2<t1，脈沖寬度變窄。同樣道理可得到倍頻后的譜線寬度也會變窄。1064532：I類匹配為theta=90 phi=11.425CII類為theta=20.9 phi=9025 CLBO匹配分兩種,一種為非臨界相位匹配,一種為臨界相位匹配即角度匹配.后一種都是在常溫下使用的,也可以根據不同的工作溫度進行角度的調整。 二次諧波的應

15、用 二次諧波成像是近年發展起來的一種三維光學成像技術，具有非線性光學成像所特有的高空間分辨率和高成像深度，可避免雙光子熒光成像中的熒光漂白效應。 此外二次諧波信號對組織的結構對稱性變化高度敏感，因此二次諧波成像對于某些疾病的早期診斷或術后治療監測具有很好的生物醫學應用前景.二次諧波 英文名稱：second harmonic component 定義：將非正弦周期信號按傅里葉級數展開，頻率為原信號頻率兩倍的正弦分量。 SHG的一個必要條件是需要沒要反演對稱的介質其次是必須滿足相位匹配，傳播中的倍頻光波和不斷昌盛的倍頻極化波保持了相位的一致性.諧波產生的根本原因是由于非線性負載所致。當電流流經負載

16、時，與所加的電壓不呈線性關系，就形成非正弦電流，從而產生諧波。 實驗裝置實驗裝置按二次諧波信號收集方式可分為前向和后向，圖為前向和后向二次諧波產生的實驗裝置示意圖以圖（）為例：由激光器產生的角頻率為的入射基頻光，經過物鏡聚焦到樣品上，產生頻率為的二次諧波，由另一個高數值孔徑的物鏡收集，濾光片（一般為窄帶濾光片）濾掉激發光和可能產生的熒光和其他背景光，再用探測器件（如）和計算機系統進行信號的采集、存儲、分析和顯示要實現二次諧波微成像需要對以下因素進行最優化考慮：超短脈沖激光、高數值孑徑的顯微物鏡、高靈敏度的非解掃面探測器、準相位匹配和具有高二階非線性的樣品激光器：摻藍寶石飛秒激光器因具有高重復頻

17、率（）和高峰值功率，單脈沖能量低且町在整個近紅外區（）內連續調諧，所以是二次諧波顯微成像的理想光源激光的重復頻率對也有影響，如果提高激發光的重復頻率，激發光的平均功率可相應提高，二次諧波信號也得到增強物鏡：一般情況下，二次諧波主要非軸向發射，即信號收集時必須有一個足夠大的數值孑徑來有效接收整個二次諧波信號濾光片：為保證所收集的信號為二次諧波信號，必須使用濾光片一般采用一長波濾光片和窄帶濾光片（帶寬）組合以過濾任何干擾信號信號收集系統：為盡暈減少二次諧波信號在系統中的損失，提高系統的探測靈敏度，最好采用非解掃（）的信號信號收集系統中的主要部件是探測器首先，為收集整個二次諧波信號，需要探測器的接收

18、面足夠寬其次，對于由可調諧：藍寶石飛秒激光器，要接收的二次諧波信號處于波段，故可采用雙堿陰極光電倍增管由于激發光波長離探測器的響應區很遠，故可有效探次諧波信號除了使用不同的濾光片外，二次諧波顯微成像和雙光子激發熒光顯微成像在系統結構上是完全兼容的已有人成功地將激光掃描共聚焦顯微鏡改造成雙光子系統，同樣，也可以方便的用改造后的系統進行兩者的復合成像二次諧波顯微成像技術的發展及其在生物醫學中的應用. 細胞膜電壓的測量對理解細胞信號傳遞過程有重要作用. 使用合適的膜染劑進行標記, 通過對染劑分子的二次諧波顯微成像, 信號強度變化便能反映膜電壓的大小. 近年來, 二次諧波顯微成像的一個主要領域, 就是發展具有高時空分辨率及高靈敏度的活細胞中橫跨膜電壓的光學測量方法.成像用于膜電壓測量細胞膜電壓的測量對理解細胞信號傳遞過程有重要作用使用合適的膜染劑進行標記，通過對染劑分子的二次諧波顯微成像，信號強度變化便能反映膜電壓的大小近年來，二次諧波顯微成像的一個主要領域，就是發展具有高時空分辨率及高靈敏度的活細胞中橫跨膜電壓的光學測量方法年，等人¨證明，所加電場可強烈地調制強度年，！等人則證明了信號隨膜電壓變化實驗結果表明，激發波長為時，對膜電