Handbook of Biological Nonlinear Optical Microscopy pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Masters, Barry R. (EDT)/ So, Peter T. C. (EDT)

出品人:

页数:894

译者:

出版时间:2008-5

价格:$ 169.50

装帧:

isbn号码:9780195162608

丛书系列:

图书标签:

• 生物光子学
• 非线性光学
• 显微镜
• 生物医学工程
• 光学成像
• 生物物理学
• 光学显微镜
• 荧光显微镜
• 生物材料
• 光子学

生物非线性光学显微镜手册 本书是一部全面的指南，深入探讨了生物医学成像领域的前沿技术——非线性光学显微镜。全书结构严谨，内容详实，旨在为光学、生物物理学、生物工程学以及生命科学研究人员提供一个深入理解和应用这些强大成像工具的平台。 第一部分：基础理论与光学原理 本部分首先为读者奠定坚实的理论基础，详细阐述了与非线性光学现象密切相关的基本物理学原理。 1.1 经典光学与电磁场理论回顾 本章从麦克斯韦方程组出发，回顾了电磁波在介质中的传播特性。重点讨论了光的偏振、衍射和散射理论，为理解更复杂的非线性效应提供必要的背景知识。特别关注了光场与物质相互作用的基本模型，如洛伦兹振子模型，并引入了非线性光学现象所需的强光场概念。 1.2 非线性光学基础 这是全书的核心理论部分。本章系统介绍了线性响应理论的局限性，并引出了描述光与物质之间强相互作用的非线性极化率张量 ($chi^{(2)}, chi^{(3)}$ 等)。详细推导并解释了关键的非线性过程，包括： 二阶非线性过程：如倍频 (Second Harmonic Generation, SHG) 和和频产生 (Sum Frequency Generation, SFG)。讨论了这些过程对系统对称性的敏感性及其在结构分析中的应用。 三阶非线性过程：重点关注双光子激发荧光 (Two-Photon Excitation Fluorescence, TPEF) 和三光子激发荧光 (Three-Photon Excitation Fluorescence, 3PEF)。详细阐述了这些过程的截面、激发截面随波长的依赖关系，以及相比于传统单光子激发所带来的深度穿透优势和降低光毒性的机理。 四波混频 (Four-Wave Mixing, FWM) 和受激拉曼散射 (Stimulated Raman Scattering, SRS) 的基本物理模型和能级跃迁机制。 1.3 超快激光源技术 非线性光学成像的实现严重依赖于高质量的超快激光光源。本章深入探讨了产生皮秒和飞秒脉冲的技术： 锁模原理：详细介绍了克尔透镜锁模、可布里渊-拉曼散射锁模等主流技术的工作原理、腔内动力学和脉冲形成过程。 激光器特性：分析了激光器的重复频率、脉冲能量、峰值功率以及脉冲形状（如高斯脉冲、Sech$^2$ 脉冲）对非线性成像质量的影响。 波长定制与光束整形：讨论了如何通过参量放大器 (OPA) 或光参量振荡器 (OPO) 调整激光波长以匹配特定染料或内源性分子的激发需求，并介绍了空间光调制器 (SLM) 在优化光束质量中的作用。 第二部分：核心成像技术与仪器设计 本部分将理论知识转化为实际的显微镜系统设计和操作指南，详细介绍了当前主流的非线性显微镜类型及其工程实现。 2.1 双光子激发显微镜 (TPEF) 系统构建 本章专注于 TPEF 的系统设计： 扫描机制：比较了共聚焦扫描（点扫描）与全场扫描（如多光子共聚焦拉康显微镜 LSCM 变体）的优缺点。重点分析了振镜扫描和基于微镜阵列 (MEMS) 的高速扫描方法。 光学路径与物镜选择：讨论了高数值孔径 (NA) 物镜在收集荧光和实现非线性过程中的关键作用。强调了色差校正和空气折射率匹配的重要性。 信号检测与处理：详细介绍了光电倍增管 (PMT) 和雪崩光电二极管 (APD) 在检测弱光信号方面的性能差异，以及时间相关单光子计数 (TCSPC) 技术在寿命成像中的应用。 2.2 受激拉曼散射显微镜 (SRS) SRS 是一种无标记的化学成像技术，本章详细剖析了其实施的复杂性： 泵浦与斯托克斯光束：解释了 SRS 中两种激光源（泵浦光和斯托克斯光）的频率匹配要求，以及如何通过声光调制器 (AOM) 或电光调制器 (EOM) 实现高频、高精度调制。 拉曼信号的提取：重点讨论了如何利用频域滤波技术（如相干拉曼散射显微镜 CRSM 的载波解调技术）从强大的背景光（如激发光和荧光）中精确分离出微弱的 SRS 信号。 定量分析：阐述了如何校准 SRS 信号强度与样品内特定分子浓度之间的关系，实现化学成分的定量映射。 2.3 谐波与散斑成像技术 本章涵盖了不涉及能量耗散的非线性过程： 倍频 (SHG) 显微镜：详细分析了 SHG 信号对各向异性结构（如胶原纤维、肌球蛋白）的敏感性，以及 SHG 信号强度与电偶极矩取向之间的关系。 空心光纤与光纤非线性：探讨了如何利用特种光纤（如带隙光纤或光子晶体光纤）来增强非线性效应或用于波导内的光场控制。 第三部分：生物医学应用与前沿发展 本部分将重点放在这些先进显微镜技术在生命科学研究中的实际应用案例和未来发展方向。 3.1 活体成像与组织穿透深度 讨论了非线性显微镜在穿透复杂生物组织方面的优势： 散射减少：解释了长波长激发（如 1000-1300 nm）如何有效减少瑞利和米氏散射，从而实现深度成像。 光毒性与光漂白：对比分析了单光子激发和多光子激发在维持细胞活力方面的差异。 在体模型应用：展示了 TPEF 在神经科学（记录钙离子活动）、肿瘤学（肿瘤微环境成像）和发育生物学中的经典应用案例。 3.2 组织结构与分子探针 本章侧重于如何利用不同非线性信号来表征生物结构和功能： 内源性显微镜：聚焦于不依赖外源性标记的成像，如 NAD(P)H 和细胞色素氧化酶的自发荧光（反映代谢状态），以及脂质和胶原的 SHG/FWM 信号。 外源性分子探针设计：讨论了为非线性显微镜优化的新型荧光团，特别是具有大双光子吸收截面 (TPA cross-section) 的染料设计原则，以及用于特定离子、pH 值或粘度的功能化探针。 3.3 新兴与集成技术 展望了非线性显微镜的最新进展： 光片显微镜的集成：探讨了如何将双光子激发与清澈化组织技术（如 CLARITY）和选择性平面照明 (SPIM) 结合，实现大样本、高分辨率、低光损伤的三维重建。 超快光谱与寿命成像：介绍了如何结合光谱分辨技术来区分不同分子，以及如何利用荧光寿命成像 (FLIM) 来消除探针浓度或光照强度波动带来的影响，获得更精确的生理参数。 人工智能辅助分析：探讨了深度学习模型在加速图像重建、降噪、背景去除以及从复杂多模态非线性数据中提取生物学信息方面的应用潜力。 本书内容覆盖了从光子基础到复杂生物应用的全链条知识体系，为推动生物医学成像技术的边界提供了坚实的理论指导和实践参考。

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