近日，中国科学院上海光机所先进激光与光电功能材料部研究团队与欧洲分子生物学实验室合作，在受激布里渊散射（SBS）显微成像领域取得重要进展，首次定量揭示了样品折射率不均匀性对布里渊增益测量的影响机制。成果发表于Optics Letters。
布里渊显微成像技术能够以全光学、非接触、三维的方式实现生物样品力学性质的高分辨率测量，是近年来力学生物学和生物光子学领域的前沿方向。相比自发布里渊显微镜，受激布里渊散射（SBS）显微镜具有更快成像速度和更高光谱分辨率，并可同时获取布里渊频移、线宽和增益，为定量解析样品质量密度和纵向弹性模量提供可能。然而，增益测量依赖泵浦光与探测光在焦点的空间重叠，而生物样品中普遍存在的折射率不均匀会扭曲焦场，其对增益测量的定量影响此前尚不清楚。
图1.折射率分布对焦点位置及SBS信号强度的影响。（a-d）焦点位于微球中心时，泵浦光和探测光均保持高质量聚焦，空间重叠度高；（e-h）焦点位于微球边界时，泵浦光被微球扭曲偏折，与探测光的重叠度下降，导致SBS信号减弱。
研究团队以PDMS微球嵌入琼脂糖凝胶为模型，结合有限元仿真与实验，系统研究了折射率失配的影响。研究发现，当泵浦光或探测光经过折射率界面时，焦场发生形变，导致两束光的空间重叠度降低（图1）。
图2.PDMS微球和琼脂糖凝胶的布里渊增益分布：仿真与实验对比。（a）（b）为微球的模拟和实验结果；（c）（d）为凝胶的模拟和实验结果。黑色方框标记区域可见增益明显衰减，与焦场畸变导致的光束重叠度降低一致。
在微球边界附近，琼脂糖区域的布里渊增益明显衰减，且模拟与实验高度一致（图2）。该现象曾在斑马鱼成像中观察到，但本工作首次实现了定量解释与机制解析。此外，重叠度降低还会导致信号减弱，从而显著降低拟合京都，影响成像质量。进一步研究发现，光纤耦合效率（ηc）并不能作为布里渊增益的线性替代量。由于光束畸变在传播过程中被放大，ηc对畸变更敏感：当增益降至25%时，耦合效率已降至5%，两者不具有线性关系（图3）。因此，不能直接用ηc校正增益误差，这对SBS显微成像的定量校准具有重要意义。
图3.光纤耦合效率与布里渊增益的非线性关系。（a）（b）无微球扰动时，泵浦光耦合效率达97%；（c）（d）焦点位于微球边缘时，光束畸变导致耦合效率降至5%，而增益仅降至25%。（e）（f）实验与模拟的耦合效率空间分布。该工作为理解SBS信号机制提供了新的定量认识，为异质介质中布里渊增益测量精度评估奠定了基础，有望为定量SBS成像校准提供了可行路径。
该成果以上海光机所硕士研究生徐朦为第一作者，博士研究生杜子轩为共同第一作者，杨帆研究员与齐云研究员为共同通讯作者。欧洲分子生物学实验室光学成像课题组组长Robert Prevedel对本研究作出了重要贡献。该研究得到国家自然科学基金、中国科学院、上海光机所及欧盟相关项目的资助。
相关链接：https://doi.org/10.1364/OL.591843