雙光子顯微成像光源 —— SPARK LASERS飛秒激光器如何助力 Mini2P 微型雙光子顯微鏡

SPARK LASERS 如何助力 Mini2P 微型雙光子顯微鏡？

1. 什么是 Mini2P？

Mini2P 是一款微型雙光子顯微鏡，專為在自由活動(dòng)小鼠中實(shí)現(xiàn)高分辨率、高速鈣成像而設(shè)計(jì)。其核心目標(biāo)是在不干擾動(dòng)物自然行為的前提下，對(duì)多種行為狀態(tài)下的神經(jīng)活動(dòng)進(jìn)行穩(wěn)定、高質(zhì)量的動(dòng)態(tài)觀測(cè)。

與傳統(tǒng)臺(tái)式雙光子顯微鏡（通常將動(dòng)物固定，限制其運(yùn)動(dòng)）不同，Mini2P 極輕巧——整機(jī)重量不足 3 克，可輕松佩戴于小鼠頭部，使其自由探索環(huán)境。這種“無(wú)束縛"成像對(duì)于揭示真實(shí)行為背后的神經(jīng)機(jī)制至關(guān)重要。

2. 當(dāng)前面臨的主要挑戰(zhàn)

盡管 Mini2P 是一個(gè)具有價(jià)值的開源項(xiàng)目，有望推動(dòng)神經(jīng)科學(xué)研究的普及，但其搭建過程仍存在顯著門檻，尤其對(duì)缺乏光學(xué)或激光系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)室而言：

• 系統(tǒng)集成復(fù)雜：完整 Mini2P 系統(tǒng)需多個(gè)關(guān)鍵組件協(xié)同工作，包括：

- 飛秒激光器

- 激光到光纖的耦合裝置（通常包含一個(gè)“耦合盒"，內(nèi)含多達(dá) 4 根玻璃棒，用于預(yù)補(bǔ)償 HC-920 空心光子晶體光纖引入的群延遲色散 GDD）

- 多組光學(xué)元件，用于準(zhǔn)直光束并將光纖輸出高效耦合至微型顯微鏡

圖1：傳統(tǒng)方案中，需使用含多根玻璃棒的耦合盒對(duì) HC-920 光纖的 GDD 進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償。

從 GitHub 上的 Mini2P_toolbox 可見，構(gòu)建耦合盒、處理 HC-920 光纖等步驟涉及大量精密操作，耗時(shí)且技術(shù)要求高。

• 光纖脆弱，制備繁瑣：HC-920 光纖極為敏感，易受灰塵污染，且耦合過程需專用工具（見圖2）：

- 光纖清潔套件

- 功率計(jì)（用于驗(yàn)證耦合效率）

- 剝纖鉗與紫外膠（用于將光纖固定至準(zhǔn)直器）

圖2：傳統(tǒng)光纖耦合所需典型設(shè)備。

一旦光纖用膠水固化，若在實(shí)驗(yàn)中損壞，幾乎無(wú)法更換，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)停擺。

•  環(huán)境敏感性強(qiáng)：耦合盒對(duì)振動(dòng)和溫度波動(dòng)高度敏感，必須安裝在昂貴的防振光學(xué)平臺(tái)上，增加了成本與空間占用。

3. SPARK LASERS 的創(chuàng)新解決方案

針對(duì)上述痛點(diǎn)，SPARK LASERS 憑借其在飛秒激光與特種光纖集成領(lǐng)域逾三年的工業(yè)級(jí)經(jīng)驗(yàn)，為 Mini2P 用戶提供了一套高度集成、即插即用的激光解決方案：

? 一體化光纖輸出，直連 Mini2P

SPARK LASERS 的 FLeX 系列激光器已將 HC-920 光纖在工廠內(nèi)完成精密耦合，并配備標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)直輸出接口，用戶只需將其直接接入 Mini2P 顯微鏡即可（見圖3）。

圖3：SPARK LASERS 激光器提供預(yù)裝 HC-920 光纖與準(zhǔn)直器，無(wú)需用戶自行組裝。

具體優(yōu)勢(shì)如下：

• 取消耦合盒與玻璃棒（見圖4）

得益于激光器內(nèi)置高達(dá) +120,000 fs2 甚至更高的正 GDD 預(yù)補(bǔ)償能力，可抵消 HC-920 光纖傳輸帶來(lái)的色散效應(yīng)，無(wú)需額外使用玻璃棒進(jìn)行外部補(bǔ)償。

圖4：光纖在激光器內(nèi)部完成耦合與色散預(yù)補(bǔ)償，省去外部復(fù)雜光路。

• 出廠預(yù)對(duì)準(zhǔn)，免調(diào)試

  所有光纖耦合與光束整形均在潔凈工廠環(huán)境中完成，用戶無(wú)需面對(duì)自由空間光路對(duì)準(zhǔn)、玻璃棒調(diào)節(jié)等高難度操作，大幅降低技術(shù)門檻。

• 抗干擾能力強(qiáng)，無(wú)需防振平臺(tái)
  通過優(yōu)化光束質(zhì)量（M2）、偏振消光比及熱穩(wěn)定性，SPARK LASERS 確保系統(tǒng)在常規(guī)實(shí)驗(yàn)環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，擺脫對(duì)昂貴防振平臺(tái)的依賴。

•  光纖可快速更換（見圖5）
  耦合單元采用模塊化設(shè)計(jì)，集成旋轉(zhuǎn)式半波片，僅需松開一顆螺絲即可更換光纖。配套的可拆卸保護(hù)錐進(jìn)一步提升光纖在運(yùn)輸與使用中的安全性。

  
  

圖5：光纖損壞后可便捷更換，保障實(shí)驗(yàn)連續(xù)性。

4. 總結(jié)

SPARK LASERS 通過深度理解 Mini2P 的技術(shù)需求，打造了真正面向用戶的“開箱即用"激光平臺(tái)，其核心價(jià)值體現(xiàn)在：

· ? Turn-key 解決方案：集成 HC-920 光纖、準(zhǔn)直器與優(yōu)耦合效率，開箱即用；

· ? 智能色散管理：內(nèi)置大范圍正 GDD 預(yù)補(bǔ)償，省去耦合盒與玻璃棒；

· ? 人性化設(shè)計(jì)：支持快速光纖更換，并可選配多光束模塊等創(chuàng)新附件，拓展并行成像等應(yīng)用。

這些創(chuàng)新不僅顯著簡(jiǎn)化了 Mini2P 的部署流程，更提升了系統(tǒng)的可靠性、可維護(hù)性與實(shí)驗(yàn)效率，讓科研人員能夠?qū)⒕劢褂谏窠?jīng)科學(xué)本身，而非復(fù)雜的光學(xué)搭建。

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