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超短脉冲激光及其生命科学应用

超短脉冲激光是一种异于常规光学的强激光，其脉冲时间对于

纳秒甚至皮秒数量级。由于超短脉冲激光的输出功率非常高，可

以在极短时间内将能量输送到最小的空间尺度，因此被广泛应用

于各种科学领域，特别是生命科学。本文将详细介绍超短脉冲激

光的原理、技术及其在生命科学方面的应用。

一、超短脉冲激光的原理和技术

超短脉冲激光的基本原理是：利用激光器产生强、短脉冲的光

束，该光束的时间尺度只有皮秒至纳秒级别，将其聚焦到微观物

体上，利用光子的PhotoelectricEffect和ComptownScattering强度

效应产生极高的能量密度，对物体进行加工处理或研究。通常这

种激光采用躯体非线性光学效应来形成及放大，最终通过光学混

频技术得到皮秒脉冲出射。同时，为了增加脉冲能量，将脉冲进

行非线性增强，并采用Afocal技术来控制脉冲聚焦的光学系统，

使得其聚焦到最小的尺度上。此外，配合一些超水平前处理器和

后处理器等器件，为此类激光创新性地提供了后向再注入供激光

针对性标记和加工等应用方向。

二、超短脉冲激光在生命科学方面的应用

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由于超短脉冲激光具有极高的激光功率和空间分辨率，常用于

生命科学的诸如光学成像、分子成像、组织切片和细胞操作等领

域，其特色在于分子的精细加工和对个体的准确处理等方向。此

外，超短脉冲激光在神经科学方面的应用也非常广泛，通过操纵

神经元功能和神经成像的技术，为研究基础和疾病相关的神经生

理机制提供了有力的支持和帮助。

1.光学成像

超短脉冲激光可以提供高分辨率的光学成像技术。对于生物体

内部的显微组织学成像，超短脉冲激光可以使成像分辨率进一步

提高，同时电子倍增器与CCD探测器联用也大大提高了光敏度和

数据采集速度，为细胞与组织学成像提供了前所未有的精度。

2.分子成像

超短脉冲激光能够通过分子的振动和转变等特性，形成对分子

的成像。基于受激Raman散射、非线性光学倍频和荧光信号探测

的原理，超短脉冲激光可以成像蛋白质、核苷酸和其他分子。这

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种成像技术已经被广泛应用于药物研究、生物生物化学、蛋白质

组学和植物生理学等方向。

3.组织切片

超短脉冲激光也可以用于组织切片的制作。利用超短脉冲激光

对组织进行光捷径加工处理，使得组织样品的表面形态能被保持

在完好无缺的状态下，以应对后续生物学和医学诊断研究工作中

大量需要的健康无毒组织切片。

4.细胞操作

有许多需要对单个细胞进行准确操作的应用需要超短脉冲激光

的技术。通过聚焦并处理激光能量，例如化学性修饰和植入等技

术，可以在单个细胞上制作切割、固化和标记等功能。此外，超

短脉冲激光也可以用于细胞内分子的定位和底物转移。

三、超短脉冲激光在生命科学中的前景

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超短脉冲激光在生命科学中的应用发展迅速，基于其高分辨率

和高能量分区的特点，为相关研究领域提供了许多新的工具。未

来随着超短脉冲激光器的进一步发展，这种技术将更广泛地使用

于单个分子和单个细胞的操作处理，同时在光学成像、分子诊断

和生物医学等领域的应用也将日益广泛。

四、结论

超短脉冲激光作为非线性光学领域