為了解決使用單個環擴展焦深光通量不夠的問題， BINGYING CHEN等人利用超短脈沖相干長度短的特性，采用多環結構的分束掩模，超快激光脈沖經過時會被分束掩模分成不同的環形子束，每個子束都有時間延遲，也就是每個子束在不同的時間點在物鏡的焦平面上形成貝塞爾焦點。如果每個環引入的時間延遲大大超過了激光脈沖的持續時間，則子束將互不相干，產生的EDF焦點是所有單個貝塞爾焦點的非相干疊加，如圖5所示。
圖5 a：分束掩模結構圖；b：分束掩模擴展焦點深度的原理示意圖；c：模擬的不同環形光非相干疊加的結果（1－5表示由內到外，EDF：深度擴展后的焦點）
基于實驗設計的掩模參數，該組進行了數值模擬，結果如圖6，最大NA為0．67時計算得到的橫向和軸向分辨率分別為550nm和15．98μm，比常規聚焦方式的軸向尺寸大4．96倍，而橫向半高全寬僅比常規聚焦方式大7％。
圖6 點擴散函數的數值模擬結果
該組搭建的實驗裝置如圖7所示，由鈦寶石激光器輸出的中心波長900nm，脈沖寬度140fs的超短脈沖通過普克爾盒進行功率調節，經過擴束器后進入掩模，掩模每層的厚度約為400μm，對脈沖提供的時間延遲為720fs，滿足非相干疊加的要求。之后光束經過一系列透鏡和兩個振鏡被耦合至物鏡光瞳平面，實現擴展焦深成像。
圖7 實驗裝置圖。1：普克爾盒，光隔離器；2，4，7，8，18：透鏡；3：圓孔；5：虹膜；6：分束掩模；9，12：振鏡；10，11：普羅素目鏡；13：掃描透鏡；14：管狀透鏡；15：二向色鏡；16：物鏡；17：濾波器；19：光電倍增管
對輸出光束的點擴散函數測量結果如圖8所示。對比有掩模和無掩模的點擴散函數發現，有掩模時的軸向半高全寬是無掩模情況下的5．8倍，橫向半高全寬增加15％。降低無掩模條件的NA使得軸向半高全寬和有掩模時一致，橫向半高全寬增加約1倍。上述結果說明該掩模能在略微犧牲橫向分辨率的條件下顯著提升焦點深度。為了驗證分束掩模在神經科學成像中的應用潛力，該組還展示了固定小鼠腦樣本中GFP標記的神經元的熒光成像。
圖8 點擴散函數測量結果。
總之，對于稀疏群體結構，采用上述擴展焦深成像的方法，可以在保持橫向分辨率和光通量的同時擴展焦深，進而大大提高成像速度，這在活體神經元信號探測方面十分有潛力。
參考文獻：
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