多模态多光子显微成像技术能够同时获取组织结构、细胞代谢和化学成分信息，在生命科学、神经科学和无标记病理诊断等领域具有重要应用。
传统多光子显微成像可通过双光子激发荧光（2PEF）、三光子激发荧光（3PEF）、二次谐波产生（SHG）和三次谐波产生（THG）等方式获得组织形貌、内源荧光、胶原结构和折射率界面信息，但通常缺乏直接识别特定化学成分的能力。相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）显微成像能够基于分子振动“指纹”提供无标记化学选择性对比，是多光子显微成像的重要补充。
然而，高性能CARS成像需要两束严格同步的超短脉冲作为泵浦光和斯托克斯光，同时要求光源具备高重复频率、宽波长调谐范围和稳定输出性能，传统固体激光或超连续谱方案往往系统庞大、调节复杂，限制了其紧凑化应用。
针对这一难点，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心L07组提出了一种基于自相位调制光谱选择（SESS）技术的可调谐双波长光纤CARS光源。该光源能够输出波长在775nm—950nm范围内可调谐的泵浦脉冲，并同步提供中心波长为1.035μm的斯托克斯脉冲，重复频率为37MHz，泵浦脉冲能量超过2nJ，可覆盖800cm⁻¹—3500cm⁻¹的拉曼位移范围。相关成果发表在Biomedical Optics Express上，并被选为Editor's Pick。
通过调节泵浦光波长，该光源可覆盖多个重要分子振动频段。例如，775nm、788nm、800nm、880nm和937nm 泵浦光分别对应水分子O–H伸缩振动、不饱和脂肪酸=C–H伸缩振动、脂质–C–H伸缩振动、蛋白质酰胺I带和DNA中O-P-O伸缩振动。在完成CARS光源和成像性能验证后，研究团队将该双波长CARS光源接入多模态多光子显微系统，构建了包含CARS、2PEF、3PEF、SHG和THG的五模态成像平台。
图片为该平台获得的小鼠大脑下丘脑弓状核区域多模态成像结果。CARS通道针对3015cm⁻¹ 的不饱和脂肪酸=C–H伸缩振动，实现了不饱和脂质的选择性成像。同时，2PEF、3PEF、SHG和THG通道分别提供代谢、胶原结构和折射率界面等互补信息，展示了该平台在生物医学组织多维度无标记成像中的应用潜力。未来，研究团队将继续发展单一光源驱动的五模态架构，推动紧凑化多模态成像平台在组织病理分析和临床转化研究中的应用。
论文第一作者为中国科学院物理研究所博士生张立昊和深圳清华大学研究院陈润植，常国庆研究员为通讯作者。
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