光声显微镜 (PAM) 结合了光学成像的高对比度和超声波的穿透深度，使其成为对生物组织和材料进行无损、无标记成像的强大工具 [1]。实现多对比度 PAM（即利用多个激光波长探测不同的分子键）需要一种能够在保持高脉冲能量和时间精度的同时快速切换波长的光源。然而，大多数可调谐或基于拉曼散射的激光系统都受到切换速度慢、采样漂移导致的稳定性有限以及复杂的自由空间对准的限制。特别是，由于缺乏合适的泵浦源以及拉曼频移的固定特性，在短波红外 (NIR-III) 区域产生纳秒级脉冲已被证明尤其困难。
为了克服这些局限性，香港大学和先进生物医学仪器中心的童益田博士及其团队近期展示了一种双波长可切换全光纤激光器，该激光器可输出1725 nm和1930 nm的纳秒级光脉冲，分别对应于CH和OH键的振动吸收峰[2]。该团队利用精确的电光调制技术，对两个种子激光器进行调制，从而产生同步的纳秒级脉冲序列，实现了两个波长之间高达100 kHz的快速电子切换。
为了实现这种可编程调制方案，研究人员采用了 Moku:Pro 作为电光调制器 (EOM) 的灵活电脉冲整形和稳定平台，Moku:Pro 是一款理想的解决方案。 波形发生器 产生了具有可调时序和幅度的高保真纳秒级驱动信号，并且 PID 控制器 在长时间运行过程中，调制深度保持稳定。这一特性为快速、高分辨率多对比度光声显微镜（PAM）成像开辟了道路，并通过区分水中的微塑料类型得到了验证。该方法展示了灵活的电子控制如何增强光纤激光光子学和环境传感技术。
挑战
产生用于先进光声显微镜（PAM）的纳秒级光脉冲需要对电光调制器（EOM）进行精确的电子控制。在本研究中，研究团队需要对两个连续波种子激光器进行强度调制，以产生波长分别为1725 nm和1930 nm的同步纳秒级脉冲。为了实现这一目标，电驱动信号必须满足三个严格的要求：高定时精度、可调调制深度和长期稳定性。
传统上，构建这样的电光调制器（EOM）驱动系统需要多个独立仪器，包括用于产生纳秒级驱动信号的高速脉冲或任意波形发生器、用于维持调制器工作点的独立直流偏置控制器、用于反馈的光电二极管读出模块以及用于实现PID稳定控制的定制模拟电路。每个器件都会引入延迟、校准开销和同步方面的挑战。此外，由于EOM中存在温度引起的漂移和光折变效应，导致偏置点偏移并降低光消光比，因此难以在数小时的运行时间内保持调制深度。如果没有主动补偿，脉冲能量和两个波长之间的光谱平衡会迅速失稳，从而影响激光器的可靠性能。
因此，该团队需要一个单一的可编程平台，能够生成、同步、监控和稳定具有确定性时序的 EOM 驱动信号，否则这些功能将分散到多个专用仪器中。
解决方案
研究人员采用 Moku:Pro 作为脉冲生成、同步和偏置稳定的统一引擎。Moku:Pro 同时充当高速波形发生器和数字反馈控制器，为这项复杂的光学实验提供了所需的精度和适应性。实验装置的示意图如图 1 所示。
根据简并四波混频（FWM）原理，两个特定电信波长的高功率种子脉冲可以产生波长更长的闲频光——在本例中，波长分别为1725 nm和1930 nm [3]。两个波长分别为1563.23 nm和1549.50 nm的连续波种子激光器通过独立的电光调制器（EOM）进行强度调制；这种脉冲雕刻控制了进入高非线性光纤（HNLF）的种子脉冲的重复频率、脉宽和峰值功率。Moku:Pro 波形发生器 提供了两个同步的电光调制器（EOM）驱动信号，脉冲宽度为3 ns，重复频率为100 kHz，相位差为180°，确保了两个种子脉冲之间的精确交替。相应地，产生的闲频光也以相同的100 kHz频率切换，无需机械调谐或光学重新对准即可实现双波长操作。
同样重要的是保持两个电光调制器（EOM）的调制深度稳定。为了实现这一点，Moku:Pro 生成纳秒脉冲，同时为每个调制器提供直流偏置。射频端口处理快速瞬态信号，偏置端口补偿缓慢漂移。调制深度通过调节射频脉冲的幅度来调整。EOM 内置的监测光电二极管将信号反馈到 Moku:Pro，Moku:Pro 通过 Moku:Pro 调节调制深度。 PID 控制器 反馈机制。这种主动反馈使研究人员能够平衡非线性光纤内部四波混频（FWM）过程的参量增益和增益带宽。闭环稳定机制确保调制器在其传输曲线的正确点工作，从而在长时间的实验过程中保持合适的开关对比度和平衡的参量增益。闭环反馈配置如图2所示。
结果
如图 3 所示，研究人员在 1725 nm 和 1930 nm 波长处实现了清晰的交替光脉冲序列，切换频率为 100 kHz，脉冲半峰全宽 (FWHM) 为 3 ns。脉冲在两个闲频波长之间保持了精确的 180° 相位差，证实了 Moku:Pro 双波形输出在两个电光调制器 (EOM) 之间实现了完美的同步。由于波形生成完全可编程，因此每个波长的脉冲宽度均可独立调节，范围从 3 ns 到 12 ns，并且任意脉冲序列（图 4）均可直接在软件中配置，无需任何硬件修改。这种灵活性使得研究团队能够优化混合光放大器的参数，从而实现最高的转换效率和光谱平衡。
生成的闲置光束作为双波长光声显微镜（PAM）系统的主要光学激发光源，实现了近红外三区（NIR-III）的无标记化学成像。利用该平台，研究人员展示了水中微塑料的多对比度成像，如图5所示。在1725 nm波长下，聚乙烯（PE）和聚氯乙烯（PVC）微塑料均因C-H键的吸收而产生强烈的光声信号；而在1910 nm波长下，PVC由于其C-Cl键和OH键的吸收而呈现出更强的对比度。输出波长被精细调整至1725 nm和1910 nm以获得最佳对比度。当两组图像叠加时，得到的复合PAM图像清晰地分离了两种塑料，揭示了它们在同一视场内的空间分布。原始光声信号进一步证实，这两种材料相对于水产生了极性相反的信号，验证了激光器的光谱精度和稳定性。
这些结果共同表明，Moku:Pro集成的波形生成、同步和基于PID的偏置稳定功能，实现了稳健且可重构的光源，而这对于传统的台式仪器来说难以实现。所展示的激光器具有高能量、快速切换和光谱精度，可直接转化为清晰、高对比度的PAM图像，为化学物质特异性成像和环境传感开辟了新的可能性。
案例
[1] Wang, LV & Hu, S. 光声层析成像：从细胞器到器官的体内成像。科学 335, 1458–1462 (2012)。
[2] Tong, Y. 等人。基于近红外 III 区混合光放大器的可编程双波长可切换全光纤激光器，用于多对比度光声显微镜。激光光子学评论 19, 2401494 (2025)。
[3] Agrawal, GP 非线性光纤光学。Springer，柏林（2000）。
