Abstract

Second-harmonic optical coherence tomography, which uses coherence gating of second-order nonlinear optical responses of biological tissues for imaging, is described and demonstrated. Femtosecond laser pulses were used to excite second-harmonic waves from collagen harvested from rat tail tendon and a reference nonlinear crystal. Second-harmonic interference fringe signals were detected and used for image construction. Because of the strong dependence of second-harmonic generation on molecular and tissue structures, this technique imparts contrast and resolution enhancement to conventional optical coherence tomography.

© 2004 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. D. Huang, E. A. Swanson, C. P. Lin, J. S. Schuman, W. G. Stinson, W. Chang, M. R. Hee, T. Flotte, K. Gregory, C. A. Puliafito, and J. G. Fujimoto, Science 254, 1178 (1991).
    [CrossRef] [PubMed]
  2. Z. Chen, T. E. Milner, D. Dave, and J. S. Nelson, Opt. Lett. 22, 64 (1997).
    [CrossRef] [PubMed]
  3. U. Morgner, W. Drexler, F. X. Kärtner, X. D. Li, C. Pitris, E. P. Ippen, and J. G. Fujimoto, Opt. Lett. 25, 111 (2000).
    [CrossRef]
  4. M. R. Hee, D. Huang, E. A. Swanson, and J. G. Fujimoto, J. Opt. Soc. Am. B 9, 903 (1992).
    [CrossRef]
  5. T. M. Lee, A. L. Oldenburg, S. Sitafalwalla, D. L. Marks, W. Luo, F. J. Toublan, K. S. Suslick, and S. A. Boppart, Opt. Lett. 28, 1546 (2003).
    [CrossRef] [PubMed]
  6. D. L. Marks, J. S. Bredfeldt, S. Hambir, D. Dlott, B. Kitchell, M. Gruebele, and S. A. Boppart, Proc. SPIE 4956, 9 (2003).
    [CrossRef]
  7. Y. R. Shen, Annu. Rev. Phys. Chem. 40, 327 (1989).
  8. P. J. Campagnola, M. Wei, A. Lewis, and L. M. Loew, Biophys. J. 77, 3341 (1999).
    [CrossRef] [PubMed]
  9. A. Zoumi, A. Yeh, and B. J. Tromberg, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 99, 11,014 (2002).
    [CrossRef]
  10. P. Stoller, P. M. Celliers, K. M. Reiser, and A. M. Rubenchik, Appl. Opt. 42, 5209 (2003).
    [CrossRef] [PubMed]
  11. J. Y. Huang, Z. Chen, and A. Lewis, J. Phys. Chem. 93, 3314 (1989).
  12. J. Ducuing and N. Bloembergen, Phys. Rev. Lett. 10, 474 (1963).
    [CrossRef]
  13. K. König, T. W. Becker, P. Fischer, I. Riemann, and K. J. Halbhuber, Opt. Lett. 24, 113 (1999).
    [CrossRef]

2003 (3)

2002 (1)

A. Zoumi, A. Yeh, and B. J. Tromberg, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 99, 11,014 (2002).
[CrossRef]

2000 (1)

1999 (2)

1997 (1)

1992 (1)

1991 (1)

D. Huang, E. A. Swanson, C. P. Lin, J. S. Schuman, W. G. Stinson, W. Chang, M. R. Hee, T. Flotte, K. Gregory, C. A. Puliafito, and J. G. Fujimoto, Science 254, 1178 (1991).
[CrossRef] [PubMed]

1989 (2)

Y. R. Shen, Annu. Rev. Phys. Chem. 40, 327 (1989).

J. Y. Huang, Z. Chen, and A. Lewis, J. Phys. Chem. 93, 3314 (1989).

1963 (1)

J. Ducuing and N. Bloembergen, Phys. Rev. Lett. 10, 474 (1963).
[CrossRef]

Becker, T. W.

Bloembergen, N.

J. Ducuing and N. Bloembergen, Phys. Rev. Lett. 10, 474 (1963).
[CrossRef]

Boppart, S. A.

D. L. Marks, J. S. Bredfeldt, S. Hambir, D. Dlott, B. Kitchell, M. Gruebele, and S. A. Boppart, Proc. SPIE 4956, 9 (2003).
[CrossRef]

T. M. Lee, A. L. Oldenburg, S. Sitafalwalla, D. L. Marks, W. Luo, F. J. Toublan, K. S. Suslick, and S. A. Boppart, Opt. Lett. 28, 1546 (2003).
[CrossRef] [PubMed]

Bredfeldt, J. S.

D. L. Marks, J. S. Bredfeldt, S. Hambir, D. Dlott, B. Kitchell, M. Gruebele, and S. A. Boppart, Proc. SPIE 4956, 9 (2003).
[CrossRef]

Campagnola, P. J.

P. J. Campagnola, M. Wei, A. Lewis, and L. M. Loew, Biophys. J. 77, 3341 (1999).
[CrossRef] [PubMed]

Celliers, P. M.

Chang, W.

D. Huang, E. A. Swanson, C. P. Lin, J. S. Schuman, W. G. Stinson, W. Chang, M. R. Hee, T. Flotte, K. Gregory, C. A. Puliafito, and J. G. Fujimoto, Science 254, 1178 (1991).
[CrossRef] [PubMed]

Chen, Z.

Z. Chen, T. E. Milner, D. Dave, and J. S. Nelson, Opt. Lett. 22, 64 (1997).
[CrossRef] [PubMed]

J. Y. Huang, Z. Chen, and A. Lewis, J. Phys. Chem. 93, 3314 (1989).

Dave, D.

Dlott, D.

D. L. Marks, J. S. Bredfeldt, S. Hambir, D. Dlott, B. Kitchell, M. Gruebele, and S. A. Boppart, Proc. SPIE 4956, 9 (2003).
[CrossRef]

Drexler, W.

Ducuing, J.

J. Ducuing and N. Bloembergen, Phys. Rev. Lett. 10, 474 (1963).
[CrossRef]

Fischer, P.

Flotte, T.

D. Huang, E. A. Swanson, C. P. Lin, J. S. Schuman, W. G. Stinson, W. Chang, M. R. Hee, T. Flotte, K. Gregory, C. A. Puliafito, and J. G. Fujimoto, Science 254, 1178 (1991).
[CrossRef] [PubMed]

Fujimoto, J. G.

U. Morgner, W. Drexler, F. X. Kärtner, X. D. Li, C. Pitris, E. P. Ippen, and J. G. Fujimoto, Opt. Lett. 25, 111 (2000).
[CrossRef]

M. R. Hee, D. Huang, E. A. Swanson, and J. G. Fujimoto, J. Opt. Soc. Am. B 9, 903 (1992).
[CrossRef]

D. Huang, E. A. Swanson, C. P. Lin, J. S. Schuman, W. G. Stinson, W. Chang, M. R. Hee, T. Flotte, K. Gregory, C. A. Puliafito, and J. G. Fujimoto, Science 254, 1178 (1991).
[CrossRef] [PubMed]

Gregory, K.

D. Huang, E. A. Swanson, C. P. Lin, J. S. Schuman, W. G. Stinson, W. Chang, M. R. Hee, T. Flotte, K. Gregory, C. A. Puliafito, and J. G. Fujimoto, Science 254, 1178 (1991).
[CrossRef] [PubMed]

Gruebele, M.

D. L. Marks, J. S. Bredfeldt, S. Hambir, D. Dlott, B. Kitchell, M. Gruebele, and S. A. Boppart, Proc. SPIE 4956, 9 (2003).
[CrossRef]

Halbhuber, K. J.

Hambir, S.

D. L. Marks, J. S. Bredfeldt, S. Hambir, D. Dlott, B. Kitchell, M. Gruebele, and S. A. Boppart, Proc. SPIE 4956, 9 (2003).
[CrossRef]

Hee, M. R.

M. R. Hee, D. Huang, E. A. Swanson, and J. G. Fujimoto, J. Opt. Soc. Am. B 9, 903 (1992).
[CrossRef]

D. Huang, E. A. Swanson, C. P. Lin, J. S. Schuman, W. G. Stinson, W. Chang, M. R. Hee, T. Flotte, K. Gregory, C. A. Puliafito, and J. G. Fujimoto, Science 254, 1178 (1991).
[CrossRef] [PubMed]

Huang, D.

M. R. Hee, D. Huang, E. A. Swanson, and J. G. Fujimoto, J. Opt. Soc. Am. B 9, 903 (1992).
[CrossRef]

D. Huang, E. A. Swanson, C. P. Lin, J. S. Schuman, W. G. Stinson, W. Chang, M. R. Hee, T. Flotte, K. Gregory, C. A. Puliafito, and J. G. Fujimoto, Science 254, 1178 (1991).
[CrossRef] [PubMed]

Huang, J. Y.

J. Y. Huang, Z. Chen, and A. Lewis, J. Phys. Chem. 93, 3314 (1989).

Ippen, E. P.

Kärtner, F. X.

Kitchell, B.

D. L. Marks, J. S. Bredfeldt, S. Hambir, D. Dlott, B. Kitchell, M. Gruebele, and S. A. Boppart, Proc. SPIE 4956, 9 (2003).
[CrossRef]

König, K.

Lee, T. M.

Lewis, A.

P. J. Campagnola, M. Wei, A. Lewis, and L. M. Loew, Biophys. J. 77, 3341 (1999).
[CrossRef] [PubMed]

J. Y. Huang, Z. Chen, and A. Lewis, J. Phys. Chem. 93, 3314 (1989).

Li, X. D.

Lin, C. P.

D. Huang, E. A. Swanson, C. P. Lin, J. S. Schuman, W. G. Stinson, W. Chang, M. R. Hee, T. Flotte, K. Gregory, C. A. Puliafito, and J. G. Fujimoto, Science 254, 1178 (1991).
[CrossRef] [PubMed]

Loew, L. M.

P. J. Campagnola, M. Wei, A. Lewis, and L. M. Loew, Biophys. J. 77, 3341 (1999).
[CrossRef] [PubMed]

Luo, W.

Marks, D. L.

D. L. Marks, J. S. Bredfeldt, S. Hambir, D. Dlott, B. Kitchell, M. Gruebele, and S. A. Boppart, Proc. SPIE 4956, 9 (2003).
[CrossRef]

T. M. Lee, A. L. Oldenburg, S. Sitafalwalla, D. L. Marks, W. Luo, F. J. Toublan, K. S. Suslick, and S. A. Boppart, Opt. Lett. 28, 1546 (2003).
[CrossRef] [PubMed]

Milner, T. E.

Morgner, U.

Nelson, J. S.

Oldenburg, A. L.

Pitris, C.

Puliafito, C. A.

D. Huang, E. A. Swanson, C. P. Lin, J. S. Schuman, W. G. Stinson, W. Chang, M. R. Hee, T. Flotte, K. Gregory, C. A. Puliafito, and J. G. Fujimoto, Science 254, 1178 (1991).
[CrossRef] [PubMed]

Reiser, K. M.

Riemann, I.

Rubenchik, A. M.

Schuman, J. S.

D. Huang, E. A. Swanson, C. P. Lin, J. S. Schuman, W. G. Stinson, W. Chang, M. R. Hee, T. Flotte, K. Gregory, C. A. Puliafito, and J. G. Fujimoto, Science 254, 1178 (1991).
[CrossRef] [PubMed]

Shen, Y. R.

Y. R. Shen, Annu. Rev. Phys. Chem. 40, 327 (1989).

Sitafalwalla, S.

Stinson, W. G.

D. Huang, E. A. Swanson, C. P. Lin, J. S. Schuman, W. G. Stinson, W. Chang, M. R. Hee, T. Flotte, K. Gregory, C. A. Puliafito, and J. G. Fujimoto, Science 254, 1178 (1991).
[CrossRef] [PubMed]

Stoller, P.

Suslick, K. S.

Swanson, E. A.

M. R. Hee, D. Huang, E. A. Swanson, and J. G. Fujimoto, J. Opt. Soc. Am. B 9, 903 (1992).
[CrossRef]

D. Huang, E. A. Swanson, C. P. Lin, J. S. Schuman, W. G. Stinson, W. Chang, M. R. Hee, T. Flotte, K. Gregory, C. A. Puliafito, and J. G. Fujimoto, Science 254, 1178 (1991).
[CrossRef] [PubMed]

Toublan, F. J.

Tromberg, B. J.

A. Zoumi, A. Yeh, and B. J. Tromberg, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 99, 11,014 (2002).
[CrossRef]

Wei, M.

P. J. Campagnola, M. Wei, A. Lewis, and L. M. Loew, Biophys. J. 77, 3341 (1999).
[CrossRef] [PubMed]

Yeh, A.

A. Zoumi, A. Yeh, and B. J. Tromberg, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 99, 11,014 (2002).
[CrossRef]

Zoumi, A.

A. Zoumi, A. Yeh, and B. J. Tromberg, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 99, 11,014 (2002).
[CrossRef]

Annu. Rev. Phys. Chem. (1)

Y. R. Shen, Annu. Rev. Phys. Chem. 40, 327 (1989).

Appl. Opt. (1)

Biophys. J. (1)

P. J. Campagnola, M. Wei, A. Lewis, and L. M. Loew, Biophys. J. 77, 3341 (1999).
[CrossRef] [PubMed]

J. Opt. Soc. Am. B (1)

J. Phys. Chem. (1)

J. Y. Huang, Z. Chen, and A. Lewis, J. Phys. Chem. 93, 3314 (1989).

Opt. Lett. (4)

Phys. Rev. Lett. (1)

J. Ducuing and N. Bloembergen, Phys. Rev. Lett. 10, 474 (1963).
[CrossRef]

Proc. Natl. Acad. Sci. USA (1)

A. Zoumi, A. Yeh, and B. J. Tromberg, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 99, 11,014 (2002).
[CrossRef]

Proc. SPIE (1)

D. L. Marks, J. S. Bredfeldt, S. Hambir, D. Dlott, B. Kitchell, M. Gruebele, and S. A. Boppart, Proc. SPIE 4956, 9 (2003).
[CrossRef]

Science (1)

D. Huang, E. A. Swanson, C. P. Lin, J. S. Schuman, W. G. Stinson, W. Chang, M. R. Hee, T. Flotte, K. Gregory, C. A. Puliafito, and J. G. Fujimoto, Science 254, 1178 (1991).
[CrossRef] [PubMed]

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (5)

Fig. 1
Fig. 1

SH OCT experimental setup: ISO, isolator; HWP1–HWP3, half-wave plates; GLP, Glan laser polarizer; F1–F4, filters; M1, M2, mirrors; PBS, polarization beam splitter; NLC, nonlinear β-barium borate crystal; BS1, BS2, broadband nonpolarization beam splitters; DBS, dichroic beam splitter; L, objective; PP, prism-pair dispersion compensator; PD, photodiode; PMT, photomultiplier tube.

Fig. 2
Fig. 2

Interference signals of fundamental waves (upper curve) and SH waves (lower curve). The SH interference signal is at double the frequency of the fundamental interference signal.

Fig. 3
Fig. 3

Coherence-length measurements of the hybrid OCT system: A, spectrum of the fundamental wave; B, spectrum of the SH wave from the nonlinear crystal; C, fundamental wave interference fringes; D, SH wave interference fringes.

Fig. 4
Fig. 4

SH OCT and conventional OCT signals of one depth scan. The sample structure is shown at the top. A, Conventional OCT interference fringe envelope signal at the fundamental wavelength; B, SH OCT interference fringe envelope signal.

Fig. 5
Fig. 5

SH OCT image of two collagen layers sandwiched among glass slides.

Metrics