Self-localized ultrafast pencil beam for volumetric multiphoton imaging

在《自然-方法》（Nature Methods）发表的一项研究中，研究人员报告了在接近自聚焦临界功率的标准多模光纤（MMF）中发现的一种自定域超快笔形光束。这一现象利用了克尔非线性和多模波导之间的相互作用，挑战了长期以来认为光纤中的自聚焦必然有害的范式。通过利用这种稳定的非线性时空定域态，研究团队在复杂生物系统的超高通量体积多光子成像方面取得了重大突破。

传统上，由于随机模式耦合和非线性不稳定性，多模光纤中的强脉冲传播会导致空间和时间场的无序化。虽然克尔光束自清洗等技术可以在较低功率水平下恢复光束质量，但接近临界功率通常会导致灾难性的光束坍缩或光学损伤。然而，研究人员发现，通过向阶跃折射率多模光纤中注入轴向高斯光束，可以触发一种自组织过程。在接近临界功率（兆瓦量级）时，光束并未坍缩为混沌状态，而是演变成一种由旋转对称高阶模式（LP0n）主导的稳定、中心定域态。该状态呈现出类贝塞尔轮廓，侧瓣得到抑制，且与非定域态相比，其功率波动降低了11 dB，有效地实现了强度钳制并增强了对外部机械扰动的鲁棒性。

在技术层面，这种自定域光束相比传统的焦点延伸方法具有显著优势。用于体积成像的标准贝塞尔光束通常受限于显著的侧瓣，且在高数值孔径（NA）下对像差高度敏感。相比之下，这种光纤生成的笔形光束在保持高数值孔径（1.05）的同时，侧瓣可以忽略不计，并具有卓越的像差抗性。在小鼠肠道神经系统的实验基准测试中，该光束提供了比高斯焦点高出十倍的轴向延伸，实现了单帧获取三维结构信息，显著降低了光剂量，并将成像通量提高了25倍。

该创新的科学价值在活体人类血脑屏障（BBB）微流控模型中得到了进一步验证。通过结合笔形光束的高速体积扫描与基于NAD(P)H/FAD的代谢表型分析，研究人员实时监测了转铁蛋白的摄取动力学。研究揭示了内皮细胞、周细胞和星形胶质细胞在蛋白质转运过程中此前未被报道的时空异质性。这些发现为血脑屏障的细胞机制提供了关键见解，并展示了自定域超快光束在阐明复杂生物转运路径方面的潜力，而这些路径此前因传统显微成像在分辨率与通量之间的权衡而难以被观测。