显微镜中是否需要色散补偿？对于随激发强度非线性缩放的成像过程，色散补偿似乎可以明显提高激发效率（即产生非线性信号光子的能力)。然而，评估色散补偿系统对于信号光子产生的净影响是非常重要的。为了优化显微镜的激发效率，保持衍射极限焦斑，即该焦斑在时间上是傅里叶限制（脉宽的下限）的。正如球差会在空间上扩大聚焦体积并降低激发效率一样，扩束镜、扫描光学系统和显微镜物镜中的色散会延长脉冲持续时间，并降低脉冲质量。有多种策略可用于对这些光学器件的色散进行预补偿，以确保傅里叶变换极限或接近傅里叶限制的聚焦脉冲。值得注意的是，应考虑补偿方案本身的效率，以确保最终图像中有可实现的增益。例如，如果我们假设一个简单的方波脉冲形状，平均检测到的二阶信号可以估计为：
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多光子显微镜设计实用指南（9）
4.1色散补偿
显微镜中是否需要色散补偿？对于随激发强度非线性缩放的成像过程，色散补偿似乎可以明显提高激发效率（即产生非线性信号光子的能力)。然而，评估色散补偿系统对于信号光子产生的净影响是非常重要的。为了优化显微镜的激发效率，保持衍射极限焦斑，即该焦斑在时间上是傅里叶限制（脉宽的下限）的。正如球差会在空间上扩大聚焦体积并降低激发效率一样，扩束镜、扫描光学系统和显微镜物镜中的色散会延长脉冲持续时间，并降低脉冲质量。有多种策略可用于对这些光学器件的色散进行预补偿，以确保傅里叶变换极限或接近傅里叶限制的聚焦脉冲。值得注意的是，应考虑补偿方案本身的效率，以确保最终图像中有可实现的增益。例如，如果我们假设一个简单的方波脉冲形状，平均检测到的二阶信号可以估计为：
N:脉冲重复频率 E:脉冲能量 ：脉冲持续时间 A:面积 。在这种情况下，我们研究二阶非线性，例如 TPEF 或 SHG。值得注意的是，我们看到检测到的信号与脉冲持续时间成反比。如果我们的补偿方案将脉冲持续时间变为原来的1/2倍，检测到的信号将增加 2 倍。但是，如果我们的补偿方案的传输为 50%（Etransmitted=0.5 × Eincident），即使脉冲持续时间减少，净检测信号实际上下降了 2 倍。因此对于色散补偿方案的任何考虑，正如这个简单的分析所概述的那样，都应该包含传输效率。一个有用的经验法则是，对于二阶非线性，如果补偿系统的传输效率为α，脉冲宽度变为原先的β倍，则α2β必须大于1才能实现测量的信号增益：
例如，如果我们能够将脉冲持续时间变为原先的1/2倍，即β=2，那么上述经验表明我们需要补偿器的传输效率 α 大于 71%。
在显微镜中，扫描光学元件、套筒镜头、二向色镜和物镜的组合可以产生5000 fs2数量级的GDD。对于许多用户来说，脉冲持续时间~100 fs，显微镜的适度色散为~3300 fs2，脉冲展宽到~130 fs，这30%的增加将补偿臂效率限制为>88%。
考虑到传输效率，影响补偿器选择的第二个决定是补偿高阶色散的能力，这也会限制脉冲持续时间。表2列出了玻璃、棱镜、光栅和棱栅 (grating+prism)的GDD和TOD的符号.表2显示玻璃通常表现出正的GDD和 TOD，我们一般希望补偿器与色散的大小相匹配，但符号相反。很明显,由于TOD符号不匹配而导致光栅很快就会受到限制：光栅的TOD 色散会增加玻璃的色散，因此，用于多光子显微镜的大多数补偿器都采用棱镜。棱镜可以以布鲁斯特角切割，因此，棱镜补偿器具有优良的传输效率。棱镜玻璃材料的选择至关重要。像 SF10 这样的玻璃很受欢迎，因为由这些材料制成的棱镜具有高度色散性，所以制造处的棱镜几何结构紧凑。 然而，虽然来自棱镜的 TOD 具有正确的符号，但在色散大小量级上却是错误的。 因此，由于棱镜补偿器的作用，聚焦时的脉冲持续时间很快为TOD限制。 这推动玻璃选择例如熔融石英材料。 熔融石英棱镜最终仍会限制TOD补偿，但可以在显微镜中小于 20 fs 持续时间的脉冲可以被补偿，这对于大多数系统来说已经足够了。
选择色散较少的玻璃需要更大的棱镜间隔。但是，通过仔细选择几何形状仍然可以产生紧凑的几何形状，如Akturk 等人所证明的。他们将单个棱镜与角锥棱镜和屋顶反射镜结合使用，创建了一个紧凑的色散补偿系统，具有良好的吞吐量（throughput） 。使用PBH71玻璃，在800nm处达到15000 fs2色散，传输效率为75%。 在这种情况下，角锥棱镜和棱镜之间的位移仅为30厘米。 该系统的一大优点是单棱镜设计更适用于波长在较宽范围内调谐的系统。Akturk 等人表明，棱镜只需要旋转 10° 即可适应 700-1100 nm 的波长范围。
色散补偿方法的一个显著变化是镜面镀膜的可用性，该镜面膜具有适用于脉冲宽度校正的GDD，同时在宽波长范围 (0.7-1.0 μm) 内保持高反射率 (>99%)。例如，涂层可能在800 nm处具有-200 fs2的GDD。对于具有3000–5000 fs2 数量级色散的显微镜，完全对GDD 补偿需要15–25 次涂层反射。净传输则为 78%–86%。对于800 nm的100fs 脉冲，此色散范围等同于从130到150 fs 展宽的脉冲，这意味着由于脉冲宽度减小而导致的信号增益几乎完全被传输损耗抵消。
有趣的是，对于大多数材料，TOD 与 GDD 的比率相对恒定。在800 nm 处，该比率约为0.247 fs。棱镜补偿器的 TOD 与 GDD 的比率与材料的比率不匹配，因此，棱镜补偿器本身最终成为在焦点处实现傅里叶限制脉冲的限制元件。刻在在棱镜上的光栅（或光栅和棱镜仅由一个小空气间隔）的组合称为棱栅（Grisms）。 棱栅不仅具有正确的GDD 和 TOD校正符号，而且可以设计为具有 0.247 fs 的正确比率。因此，对于较大的材料路径长度，棱栅能够实现四相限制(quartic-phase-limited)的色散补偿。它们可以配置为可实现>70% 的吞吐量。 当显微镜中的玻璃路径长度变得很重要时，棱镜是最佳选择：大约 10000 fs2。
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