研究目的
研究分子场显微镜的概念，通过使用相位相干、宽带近红外超短脉冲激发分子，并直接检测携带分子响应的透射电场，实现高分辨率、深度成像、无标记的生物光谱显微技术。
研究成果
该研究成功展示了近红外分子场成像的新概念，通过电子光学系统中的外差检测实现了分子响应的无背景检测，具有更高的灵敏度和更强的动态范围。
研究不足
该研究仅限于液相中水分子的检测，在未经进一步优化的情况下可能无法直接适用于其他分子体系。
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[2019年IEEE欧洲激光与电光学会议暨欧洲量子电子学会议(CLEO/Europe-EQEC) - 德国慕尼黑(2019.6.23-2019.6.27)] 2019年欧洲激光与电光学会议暨欧洲量子电子学会议(CLEO/Europe-EQEC) - 水的近红外场成像技术
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[2019年IEEE欧洲激光与电光学会议暨欧洲量子电子学会议(CLEO/Europe-EQEC) - 德国慕尼黑(2019.6.23-2019.6.27)] 2019年欧洲激光与电光学会议暨欧洲量子电子学会议(CLEO/Europe-EQEC) - 水的近红外场成像技术
DOI：10.1109/CLEOE-EQEC.2019.8872880
出版年份：2019
更新时间：2025-09-11 14:15:04
摘要：
线性近红外（NIR）光谱技术能提供分子组成、结构及构象信息，在高分辨率、深度无标记生物光谱显微领域具有显著潜力。虽然近红外宽带测量已在频域开展，但该方法对微小吸收差异的检测受限于光源强度噪声和探测动态范围。我们提出分子场显微概念以突破这些限制：利用相位相干的近红外宽带超短脉冲激发分子后，通过电光采样（EOS）直接检测携带分子响应的透射电场。激发脉冲时域宽度仅数十飞秒，远小于待测分子的自由感应衰减（FID）时间，从而实现激发脉冲与分子响应的时域分离，既可进行无背景测量，又能抑制光源强度噪声影响。此外，复电场测量能提取分子响应的完整光谱相位信息，为光谱数据增添新维度。本研究通过EOS检测液相水分子O-H键第一泛频振动模式（1900-1950 nm）实现了场分辨泛频光谱测量：采用自主搭建的二极管泵浦Yb:YAG薄盘再生放大器直接产生覆盖700-2500 nm的载波包络相位（CEP）稳定超宽带光谱，将其分为700-1400 nm和1600-2500 nm两个波段分别经单级光学参量放大器放大至25 μJ能量，并压缩至4.8 fs和18 fs。将18 fs近红外脉冲导入500 μm厚乙酸-水混合液，最终通过含50 μm厚BBO（II类）晶体的EOS系统检测透射光（其中4.8 fs脉冲作为探测光）。无样品时激发脉冲电场在200 fs后趋零（图1a）；加入样品后，在200 fs后观察到无背景的分子响应（图1b）。该技术能在低至3%的水浓度中清晰检测水分子近红外响应。总之，我们提出的近红外分子场显微新概念覆盖了完整分子指纹区：飞秒分子激发实现无背景检测和高灵敏度，而EOS中的外差检测提升了探测动态范围。
作者：
Ayman Alismail，Haochuan Wang，Gaia Barbiero，Ferenc Krausz，Hanieh Fattahi
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