超低タイミングジッタ、Ti:Al2O3同期化によるラマン散乱とポンププローブ顕微鏡への応用

Ultra-low timing jitter, Ti:Al2O3 synchronization for stimulated Raman scattering and pump-probe microscopy.

• Ben Sherlock
• Sarah Saint-Jalm
• Graeme P A Malcolm
• Gareth T Maker
• Julian Moger

抄録

意義:

刺激ラマン散乱（SRS）とポンププローブ顕微鏡法は、分子コントラストでコード化された生きたサンプルの高解像度でラベルフリーの画像を取得する多光子顕微鏡法の実装です。市販の多光子顕微鏡では、2つの時間的に同期した超高速パルス列による試料の照明が必要であるため、ほとんどの多光子顕微鏡ではこれらの技術を利用することができない。本研究では、従来のシングルビーム多光子顕微鏡にチタンサファイアレーザーを追加して同期させることで、より高い分子特異性を持つ画像を得ることができる装置をコンパクトかつ堅牢に実現する方法を提案する。

SIGNIFICANCE: Stimulated Raman scattering (SRS) and pump-probe microscopy are implementations of multiphoton microscopy that acquire high-resolution, label-free images of live samples encoded with molecular contrast. Most commercial multiphoton microscopes cannot access these techniques since they require sample illumination by two temporally synchronized ultrafast pulse trains. We present a compact and robust way of synchronizing an additional Ti:sapphire laser with a conventional single-beam multiphoton microscope to realize an instrument that can acquire images with enhanced molecular specificity.

AIM:

市販されている2つのチタンサファイアレーザーを用いた受動的な光同期方式を開発した。この同期化スキームの高度な生物医学顕微鏡への適合性を調査した。

AIM: A passive optical synchronization scheme for a pair of commercially available, unmodified modelocked Ti:sapphire lasers was developed. The suitability of this synchronization scheme for advanced biomedical microscopy was investigated.

アプローチ:

一対のモデルロックされたTi:sapphireレーザーをマスター-スレーブ構成で配置した。マスターレーザー出力の5%をスレーブレーザー共振器でのモデロッキングのシードに使用した。マスターとスレーブのパルス列のタイミングジッタは、光自己相関器を用いて特徴づけられました。両方のレーザーの同期出力は、レーザー走査顕微鏡に結合され、生物学的および非生物学的サンプルからの分光集光SRSとポンププローブ顕微鏡画像を取得するために使用されました。

APPROACH: A pair of modelocked Ti:sapphire lasers were aligned in master-slave configuration. Five percent of the master laser output was used to seed the modelocking in the slave laser cavity. The timing jitter of the master and slave pulse trains was characterized using an optical autocorrelator. The synchronized output of both lasers was coupled into a laser scanning microscope and used to acquire spectral focusing SRS and pump-probe microscopy images from biological and nonbiological samples.

結果:

モデルロックされたパルス列間のタイミングジッタは0.74fsを記録した。スペクトル集束SRSにより、ポリスチレンとポリメチルメタクリレートビーズのスペクトル識別が可能となった。ポンププローブ顕微鏡を用いて、無傷の赤血球中のヘモグロビンの励起状態の寿命曲線を記録した。

RESULTS: A timing jitter between the modelocked pulse trains of 0.74 fs was recorded. Spectral focusing SRS allowed spectral discrimination of polystyrene and polymethyl methacrylate beads. Pump-probe microscopy was used to record excited state lifetime curves from hemoglobin in intact red blood cells.

結論:

本研究では、シングルビーム多光子顕微鏡を超高速レーザーを追加してアップグレードするシンプルでロバストな方法を実証しました。得られたデュアルビーム装置は、高い生化学的特異性を持つサンプルの構造と組成のラベルフリー画像を取得するために使用することができます。

CONCLUSION: Our work demonstrates a simple and robust method of upgrading single-beam multiphoton microscopes with an additional ultrafast laser. The resulting dual-beam instrument can be used to acquire label-free images of sample structure and composition with high biochemical specificity.