顯微鏡中是否需要色散補償(chang) ？對於(yu) 隨激發強度非線性縮放的成像過程，色散補償(chang) 似乎可以明顯提高激發效率（即產(chan) 生非線性信號光子的能力)。然而，評估色散補償(chang) 係統對於(yu) 信號光子產(chan) 生的淨影響是非常重要的。為(wei) 了優(you) 化顯微鏡的激發效率，保持衍射極限焦斑，即該焦斑在時間上是傅裏葉限製（脈寬的下限）的。正如球差會(hui) 在空間上擴大聚焦體(ti) 積並降低激發效率一樣，擴束鏡、掃描光學係統和顯微鏡物鏡中的色散會(hui) 延長脈衝(chong) 持續時間，並降低脈衝(chong) 質量。有多種策略可用於(yu) 對這些光學器件的色散進行預補償(chang) ，以確保傅裏葉變換極限或接近傅裏葉限製的聚焦脈衝(chong) 。值得注意的是，應考慮補償(chang) 方案本身的效率，以確保最終圖像中有可實現的增益。例如，如果我們(men) 假設一個(ge) 簡單的方波脈衝(chong) 形狀，平均檢測到的二階信號可以估計為(wei) ：
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多光子顯微鏡設計實用指南（9）
4.1色散補償(chang)
顯微鏡中是否需要色散補償(chang) ？對於(yu) 隨激發強度非線性縮放的成像過程，色散補償(chang) 似乎可以明顯提高激發效率（即產(chan) 生非線性信號光子的能力)。然而，評估色散補償(chang) 係統對於(yu) 信號光子產(chan) 生的淨影響是非常重要的。為(wei) 了優(you) 化顯微鏡的激發效率，保持衍射極限焦斑，即該焦斑在時間上是傅裏葉限製（脈寬的下限）的。正如球差會(hui) 在空間上擴大聚焦體(ti) 積並降低激發效率一樣，擴束鏡、掃描光學係統和顯微鏡物鏡中的色散會(hui) 延長脈衝(chong) 持續時間，並降低脈衝(chong) 質量。有多種策略可用於(yu) 對這些光學器件的色散進行預補償(chang) ，以確保傅裏葉變換極限或接近傅裏葉限製的聚焦脈衝(chong) 。值得注意的是，應考慮補償(chang) 方案本身的效率，以確保最終圖像中有可實現的增益。例如，如果我們(men) 假設一個(ge) 簡單的方波脈衝(chong) 形狀，平均檢測到的二階信號可以估計為(wei) ：
N:脈衝(chong) 重複頻率 E:脈衝(chong) 能量 ：脈衝(chong) 持續時間 A:麵積 。在這種情況下，我們(men) 研究二階非線性，例如 TPEF 或 SHG。值得注意的是，我們(men) 看到檢測到的信號與(yu) 脈衝(chong) 持續時間成反比。如果我們(men) 的補償(chang) 方案將脈衝(chong) 持續時間變為(wei) 原來的1/2倍，檢測到的信號將增加 2 倍。但是，如果我們(men) 的補償(chang) 方案的傳(chuan) 輸為(wei) 50%（Etransmitted=0.5 × Eincident），即使脈衝(chong) 持續時間減少，淨檢測信號實際上下降了 2 倍。因此對於(yu) 色散補償(chang) 方案的任何考慮，正如這個(ge) 簡單的分析所概述的那樣，都應該包含傳(chuan) 輸效率。一個(ge) 有用的經驗法則是，對於(yu) 二階非線性，如果補償(chang) 係統的傳(chuan) 輸效率為(wei) α，脈衝(chong) 寬度變為(wei) 原先的β倍，則α2β必須大於(yu) 1才能實現測量的信號增益：
例如，如果我們(men) 能夠將脈衝(chong) 持續時間變為(wei) 原先的1/2倍，即β=2，那麽(me) 上述經驗表明我們(men) 需要補償(chang) 器的傳(chuan) 輸效率 α 大於(yu) 71%。
在顯微鏡中，掃描光學元件、套筒鏡頭、二向色鏡和物鏡的組合可以產(chan) 生5000 fs2數量級的GDD。對於(yu) 許多用戶來說，脈衝(chong) 持續時間~100 fs，顯微鏡的適度色散為(wei) ~3300 fs2，脈衝(chong) 展寬到~130 fs，這30%的增加將補償(chang) 臂效率限製為(wei) >88%。
考慮到傳(chuan) 輸效率，影響補償(chang) 器選擇的第二個(ge) 決(jue) 定是補償(chang) 高階色散的能力，這也會(hui) 限製脈衝(chong) 持續時間。表2列出了玻璃、棱鏡、光柵和棱柵 (grating+prism)的GDD和TOD的符號.表2顯示玻璃通常表現出正的GDD和 TOD，我們(men) 一般希望補償(chang) 器與(yu) 色散的大小相匹配，但符號相反。很明顯,由於(yu) TOD符號不匹配而導致光柵很快就會(hui) 受到限製：光柵的TOD 色散會(hui) 增加玻璃的色散，因此，用於(yu) 多光子顯微鏡的大多數補償(chang) 器都采用棱鏡。棱鏡可以以布魯斯特角切割，因此，棱鏡補償(chang) 器具有優(you) 良的傳(chuan) 輸效率。棱鏡玻璃材料的選擇至關(guan) 重要。像 SF10 這樣的玻璃很受歡迎，因為(wei) 由這些材料製成的棱鏡具有高度色散性，所以製造處的棱鏡幾何結構緊湊。 然而，雖然來自棱鏡的 TOD 具有正確的符號，但在色散大小量級上卻是錯誤的。 因此，由於(yu) 棱鏡補償(chang) 器的作用，聚焦時的脈衝(chong) 持續時間很快為(wei) TOD限製。 這推動玻璃選擇例如熔融石英材料。 熔融石英棱鏡最終仍會(hui) 限製TOD補償(chang) ，但可以在顯微鏡中小於(yu) 20 fs 持續時間的脈衝(chong) 可以被補償(chang) ，這對於(yu) 大多數係統來說已經足夠了。
選擇色散較少的玻璃需要更大的棱鏡間隔。但是，通過仔細選擇幾何形狀仍然可以產(chan) 生緊湊的幾何形狀，如Akturk 等人所證明的。他們(men) 將單個(ge) 棱鏡與(yu) 角錐棱鏡和屋頂反射鏡結合使用，創建了一個(ge) 緊湊的色散補償(chang) 係統，具有良好的吞吐量（throughput） 。使用PBH71玻璃，在800nm處達到15000 fs2色散，傳(chuan) 輸效率為(wei) 75%。 在這種情況下，角錐棱鏡和棱鏡之間的位移僅(jin) 為(wei) 30厘米。 該係統的一大優(you) 點是單棱鏡設計更適用於(yu) 波長在較寬範圍內(nei) 調諧的係統。Akturk 等人表明，棱鏡隻需要旋轉 10° 即可適應 700-1100 nm 的波長範圍。
色散補償(chang) 方法的一個(ge) 顯著變化是鏡麵鍍膜的可用性，該鏡麵膜具有適用於(yu) 脈衝(chong) 寬度校正的GDD，同時在寬波長範圍 (0.7-1.0 μm) 內(nei) 保持高反射率 (>99%)。例如，塗層可能在800 nm處具有-200 fs2的GDD。對於(yu) 具有3000–5000 fs2 數量級色散的顯微鏡，完全對GDD 補償(chang) 需要15–25 次塗層反射。淨傳(chuan) 輸則為(wei) 78%–86%。對於(yu) 800 nm的100fs 脈衝(chong) ，此色散範圍等同於(yu) 從(cong) 130到150 fs 展寬的脈衝(chong) ，這意味著由於(yu) 脈衝(chong) 寬度減小而導致的信號增益幾乎完全被傳(chuan) 輸損耗抵消。
有趣的是，對於(yu) 大多數材料，TOD 與(yu) GDD 的比率相對恒定。在800 nm 處，該比率約為(wei) 0.247 fs。棱鏡補償(chang) 器的 TOD 與(yu) GDD 的比率與(yu) 材料的比率不匹配，因此，棱鏡補償(chang) 器本身最終成為(wei) 在焦點處實現傅裏葉限製脈衝(chong) 的限製元件。刻在在棱鏡上的光柵（或光柵和棱鏡僅(jin) 由一個(ge) 小空氣間隔）的組合稱為(wei) 棱柵（Grisms）。 棱柵不僅(jin) 具有正確的GDD 和 TOD校正符號，而且可以設計為(wei) 具有 0.247 fs 的正確比率。因此，對於(yu) 較大的材料路徑長度，棱柵能夠實現四相限製(quartic-phase-limited)的色散補償(chang) 。它們(men) 可以配置為(wei) 可實現>70% 的吞吐量。 當顯微鏡中的玻璃路徑長度變得很重要時，棱鏡是最佳選擇：大約 10000 fs2。
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