Abstract

Light-assisted ionization accompanying coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS) of ultrashort laser pulses in brain tissue is shown to manifest itself in a detectable blueshift of the anti-Stokes signal. This blueshift can serve as an indicator of ionization processes in CARS-based neuroimaging.

© 2011 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. W. Denk, J. H. Strickler, and W. W. Webb, Science 248, 73 (1990).
    [PubMed]
  2. W. R. Zipfel, R. M. Williams, and W. W. Webb, Nat. Biotechnol. 21, 1369 (2003).
    [PubMed]
  3. B. A. Flusberg, A. Nimmerjahn, E. D. Cocker, E. A. Mukamel, R. P. J. Barretto, T. H. Ko, L. D. Burns, J. C. Jung, and M. J. Schnitzer, Nature Methods 5, 935 (2008).
    [PubMed]
  4. L. V. Doronina, I. V. Fedotov, A. A. Voronin, O. I. Ivashkina, M. A. Zots, K. V. Anokhin, E. Rostova, A. B. Fedotov, and A. M. Zheltikov, Opt. Lett. 34, 3373 (2009).
    [PubMed]
  5. L. Moreaux, T. Pons, V. Dambrin, M. Blanchard-Desce, and J. Mertz, Opt. Lett. 28, 625 (2003).
    [PubMed]
  6. M. Nuriya, J. Jiang, B. Nemet, K. B. Eisenthal, and R. Yuste, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 103, 786 (2006).
    [PubMed]
  7. L. Sacconi, J. Mapelli, D. Gandolfi, J. Lotti, R. P. O’Connor, E. D’Angelo, and F. S. Pavone, Opt. Express 16, 19410 (2008)
  8. H. Wang, Y. Fu, P. Zickmund, R. Shi, and J. X. Cheng, Biophys. J. 89, 581 (2005).
    [PubMed]
  9. C. L. Evans, X. Xu, S. Kesari, X. Sunney Xie, S. T. C. Wong, and G. S. Young, Opt. Express 15, 12076 (2007).
    [PubMed]
  10. A. Vogel and V. Venugopalan, Chem. Rev. 103, 577 (2003).
    [PubMed]
  11. A. Vogel, J. Noack, G. Huttman, and G. Paltauf, Appl. Phys. B 81, 1015 (2005).
  12. A. A. Voronin and A. M. Zheltikov, Phys. Rev. E 81, 051918(2010).
  13. B. Boudaifa, P. Cluotier, D. Hunting, M. A. Huels, and L. Sanche, Science 287, 1658 (2000).
  14. L. Bergé, S. Skupin, R. Nuter, J. Kasparian and J. -P. Wolf, Rep. Prog. Phys. 70, 1633 (2007)
  15. J. Cheng, A. Volkmer, L. D. Book, and X. S. Xie, J. Phys. Chem. B 106, 8493 (2002)

2010

A. A. Voronin and A. M. Zheltikov, Phys. Rev. E 81, 051918(2010).

2009

2008

B. A. Flusberg, A. Nimmerjahn, E. D. Cocker, E. A. Mukamel, R. P. J. Barretto, T. H. Ko, L. D. Burns, J. C. Jung, and M. J. Schnitzer, Nature Methods 5, 935 (2008).
[PubMed]

L. Sacconi, J. Mapelli, D. Gandolfi, J. Lotti, R. P. O’Connor, E. D’Angelo, and F. S. Pavone, Opt. Express 16, 19410 (2008)

2007

C. L. Evans, X. Xu, S. Kesari, X. Sunney Xie, S. T. C. Wong, and G. S. Young, Opt. Express 15, 12076 (2007).
[PubMed]

L. Bergé, S. Skupin, R. Nuter, J. Kasparian and J. -P. Wolf, Rep. Prog. Phys. 70, 1633 (2007)

2006

M. Nuriya, J. Jiang, B. Nemet, K. B. Eisenthal, and R. Yuste, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 103, 786 (2006).
[PubMed]

2005

H. Wang, Y. Fu, P. Zickmund, R. Shi, and J. X. Cheng, Biophys. J. 89, 581 (2005).
[PubMed]

A. Vogel, J. Noack, G. Huttman, and G. Paltauf, Appl. Phys. B 81, 1015 (2005).

2003

A. Vogel and V. Venugopalan, Chem. Rev. 103, 577 (2003).
[PubMed]

L. Moreaux, T. Pons, V. Dambrin, M. Blanchard-Desce, and J. Mertz, Opt. Lett. 28, 625 (2003).
[PubMed]

W. R. Zipfel, R. M. Williams, and W. W. Webb, Nat. Biotechnol. 21, 1369 (2003).
[PubMed]

2002

J. Cheng, A. Volkmer, L. D. Book, and X. S. Xie, J. Phys. Chem. B 106, 8493 (2002)

2000

B. Boudaifa, P. Cluotier, D. Hunting, M. A. Huels, and L. Sanche, Science 287, 1658 (2000).

1990

W. Denk, J. H. Strickler, and W. W. Webb, Science 248, 73 (1990).
[PubMed]

Anokhin, K. V.

Barretto, R. P. J.

B. A. Flusberg, A. Nimmerjahn, E. D. Cocker, E. A. Mukamel, R. P. J. Barretto, T. H. Ko, L. D. Burns, J. C. Jung, and M. J. Schnitzer, Nature Methods 5, 935 (2008).
[PubMed]

Bergé, L.

L. Bergé, S. Skupin, R. Nuter, J. Kasparian and J. -P. Wolf, Rep. Prog. Phys. 70, 1633 (2007)

Blanchard-Desce, M.

Book, L. D.

J. Cheng, A. Volkmer, L. D. Book, and X. S. Xie, J. Phys. Chem. B 106, 8493 (2002)

Boudaifa, B.

B. Boudaifa, P. Cluotier, D. Hunting, M. A. Huels, and L. Sanche, Science 287, 1658 (2000).

Burns, L. D.

B. A. Flusberg, A. Nimmerjahn, E. D. Cocker, E. A. Mukamel, R. P. J. Barretto, T. H. Ko, L. D. Burns, J. C. Jung, and M. J. Schnitzer, Nature Methods 5, 935 (2008).
[PubMed]

Cheng, J.

J. Cheng, A. Volkmer, L. D. Book, and X. S. Xie, J. Phys. Chem. B 106, 8493 (2002)

Cheng, J. X.

H. Wang, Y. Fu, P. Zickmund, R. Shi, and J. X. Cheng, Biophys. J. 89, 581 (2005).
[PubMed]

Cluotier, P.

B. Boudaifa, P. Cluotier, D. Hunting, M. A. Huels, and L. Sanche, Science 287, 1658 (2000).

Cocker, E. D.

B. A. Flusberg, A. Nimmerjahn, E. D. Cocker, E. A. Mukamel, R. P. J. Barretto, T. H. Ko, L. D. Burns, J. C. Jung, and M. J. Schnitzer, Nature Methods 5, 935 (2008).
[PubMed]

D’Angelo, E.

Dambrin, V.

Denk, W.

W. Denk, J. H. Strickler, and W. W. Webb, Science 248, 73 (1990).
[PubMed]

Doronina, L. V.

Eisenthal, K. B.

M. Nuriya, J. Jiang, B. Nemet, K. B. Eisenthal, and R. Yuste, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 103, 786 (2006).
[PubMed]

Evans, C. L.

Fedotov, A. B.

Fedotov, I. V.

Flusberg, B. A.

B. A. Flusberg, A. Nimmerjahn, E. D. Cocker, E. A. Mukamel, R. P. J. Barretto, T. H. Ko, L. D. Burns, J. C. Jung, and M. J. Schnitzer, Nature Methods 5, 935 (2008).
[PubMed]

Fu, Y.

H. Wang, Y. Fu, P. Zickmund, R. Shi, and J. X. Cheng, Biophys. J. 89, 581 (2005).
[PubMed]

Gandolfi, D.

Huels, M. A.

B. Boudaifa, P. Cluotier, D. Hunting, M. A. Huels, and L. Sanche, Science 287, 1658 (2000).

Hunting, D.

B. Boudaifa, P. Cluotier, D. Hunting, M. A. Huels, and L. Sanche, Science 287, 1658 (2000).

Huttman, G.

A. Vogel, J. Noack, G. Huttman, and G. Paltauf, Appl. Phys. B 81, 1015 (2005).

Ivashkina, O. I.

Jiang, J.

M. Nuriya, J. Jiang, B. Nemet, K. B. Eisenthal, and R. Yuste, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 103, 786 (2006).
[PubMed]

Jung, J. C.

B. A. Flusberg, A. Nimmerjahn, E. D. Cocker, E. A. Mukamel, R. P. J. Barretto, T. H. Ko, L. D. Burns, J. C. Jung, and M. J. Schnitzer, Nature Methods 5, 935 (2008).
[PubMed]

Kasparian, J.

L. Bergé, S. Skupin, R. Nuter, J. Kasparian and J. -P. Wolf, Rep. Prog. Phys. 70, 1633 (2007)

Kesari, S.

Ko, T. H.

B. A. Flusberg, A. Nimmerjahn, E. D. Cocker, E. A. Mukamel, R. P. J. Barretto, T. H. Ko, L. D. Burns, J. C. Jung, and M. J. Schnitzer, Nature Methods 5, 935 (2008).
[PubMed]

Lotti, J.

Mapelli, J.

Mertz, J.

Moreaux, L.

Mukamel, E. A.

B. A. Flusberg, A. Nimmerjahn, E. D. Cocker, E. A. Mukamel, R. P. J. Barretto, T. H. Ko, L. D. Burns, J. C. Jung, and M. J. Schnitzer, Nature Methods 5, 935 (2008).
[PubMed]

Nemet, B.

M. Nuriya, J. Jiang, B. Nemet, K. B. Eisenthal, and R. Yuste, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 103, 786 (2006).
[PubMed]

Nimmerjahn, A.

B. A. Flusberg, A. Nimmerjahn, E. D. Cocker, E. A. Mukamel, R. P. J. Barretto, T. H. Ko, L. D. Burns, J. C. Jung, and M. J. Schnitzer, Nature Methods 5, 935 (2008).
[PubMed]

Noack, J.

A. Vogel, J. Noack, G. Huttman, and G. Paltauf, Appl. Phys. B 81, 1015 (2005).

Nuriya, M.

M. Nuriya, J. Jiang, B. Nemet, K. B. Eisenthal, and R. Yuste, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 103, 786 (2006).
[PubMed]

Nuter, R.

L. Bergé, S. Skupin, R. Nuter, J. Kasparian and J. -P. Wolf, Rep. Prog. Phys. 70, 1633 (2007)

O’Connor, R. P.

Paltauf, G.

A. Vogel, J. Noack, G. Huttman, and G. Paltauf, Appl. Phys. B 81, 1015 (2005).

Pavone, F. S.

Pons, T.

Rostova, E.

Sacconi, L.

Sanche, L.

B. Boudaifa, P. Cluotier, D. Hunting, M. A. Huels, and L. Sanche, Science 287, 1658 (2000).

Schnitzer, M. J.

B. A. Flusberg, A. Nimmerjahn, E. D. Cocker, E. A. Mukamel, R. P. J. Barretto, T. H. Ko, L. D. Burns, J. C. Jung, and M. J. Schnitzer, Nature Methods 5, 935 (2008).
[PubMed]

Shi, R.

H. Wang, Y. Fu, P. Zickmund, R. Shi, and J. X. Cheng, Biophys. J. 89, 581 (2005).
[PubMed]

Skupin, S.

L. Bergé, S. Skupin, R. Nuter, J. Kasparian and J. -P. Wolf, Rep. Prog. Phys. 70, 1633 (2007)

Strickler, J. H.

W. Denk, J. H. Strickler, and W. W. Webb, Science 248, 73 (1990).
[PubMed]

Venugopalan, V.

A. Vogel and V. Venugopalan, Chem. Rev. 103, 577 (2003).
[PubMed]

Vogel, A.

A. Vogel, J. Noack, G. Huttman, and G. Paltauf, Appl. Phys. B 81, 1015 (2005).

A. Vogel and V. Venugopalan, Chem. Rev. 103, 577 (2003).
[PubMed]

Volkmer, A.

J. Cheng, A. Volkmer, L. D. Book, and X. S. Xie, J. Phys. Chem. B 106, 8493 (2002)

Voronin, A. A.

Wang, H.

H. Wang, Y. Fu, P. Zickmund, R. Shi, and J. X. Cheng, Biophys. J. 89, 581 (2005).
[PubMed]

Webb, W. W.

W. R. Zipfel, R. M. Williams, and W. W. Webb, Nat. Biotechnol. 21, 1369 (2003).
[PubMed]

W. Denk, J. H. Strickler, and W. W. Webb, Science 248, 73 (1990).
[PubMed]

Williams, R. M.

W. R. Zipfel, R. M. Williams, and W. W. Webb, Nat. Biotechnol. 21, 1369 (2003).
[PubMed]

Wolf, J. -P.

L. Bergé, S. Skupin, R. Nuter, J. Kasparian and J. -P. Wolf, Rep. Prog. Phys. 70, 1633 (2007)

Wong, S. T. C.

Xie, X. S.

J. Cheng, A. Volkmer, L. D. Book, and X. S. Xie, J. Phys. Chem. B 106, 8493 (2002)

Xie, X. Sunney

Xu, X.

Young, G. S.

Yuste, R.

M. Nuriya, J. Jiang, B. Nemet, K. B. Eisenthal, and R. Yuste, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 103, 786 (2006).
[PubMed]

Zheltikov, A. M.

Zickmund, P.

H. Wang, Y. Fu, P. Zickmund, R. Shi, and J. X. Cheng, Biophys. J. 89, 581 (2005).
[PubMed]

Zipfel, W. R.

W. R. Zipfel, R. M. Williams, and W. W. Webb, Nat. Biotechnol. 21, 1369 (2003).
[PubMed]

Zots, M. A.

Appl. Phys. B

A. Vogel, J. Noack, G. Huttman, and G. Paltauf, Appl. Phys. B 81, 1015 (2005).

Biophys. J.

H. Wang, Y. Fu, P. Zickmund, R. Shi, and J. X. Cheng, Biophys. J. 89, 581 (2005).
[PubMed]

Chem. Rev.

A. Vogel and V. Venugopalan, Chem. Rev. 103, 577 (2003).
[PubMed]

J. Phys. Chem. B

J. Cheng, A. Volkmer, L. D. Book, and X. S. Xie, J. Phys. Chem. B 106, 8493 (2002)

Nat. Biotechnol.

W. R. Zipfel, R. M. Williams, and W. W. Webb, Nat. Biotechnol. 21, 1369 (2003).
[PubMed]

Nature Methods

B. A. Flusberg, A. Nimmerjahn, E. D. Cocker, E. A. Mukamel, R. P. J. Barretto, T. H. Ko, L. D. Burns, J. C. Jung, and M. J. Schnitzer, Nature Methods 5, 935 (2008).
[PubMed]

Opt. Express

Opt. Lett.

Phys. Rev. E

A. A. Voronin and A. M. Zheltikov, Phys. Rev. E 81, 051918(2010).

Proc. Natl. Acad. Sci. USA

M. Nuriya, J. Jiang, B. Nemet, K. B. Eisenthal, and R. Yuste, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 103, 786 (2006).
[PubMed]

Rep. Prog. Phys.

L. Bergé, S. Skupin, R. Nuter, J. Kasparian and J. -P. Wolf, Rep. Prog. Phys. 70, 1633 (2007)

Science

B. Boudaifa, P. Cluotier, D. Hunting, M. A. Huels, and L. Sanche, Science 287, 1658 (2000).

W. Denk, J. H. Strickler, and W. W. Webb, Science 248, 73 (1990).
[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 (2)

Fig. 1
Fig. 1

(a) Typical CARS spectra from two different regions of mouse brain with a high (open circles) and low (filled circles) content of water versus the results of simulations with ε = 1 (curve 1) and 0.45 (curve 2). The pump and Stokes intensities are I p = 3 TW / cm 2 and I s = 0.3 TW / cm 2 (curve 1), I p = 0.8 TW / cm 2 and I s = 0.08 TW / cm 2 (curve 2). (b) Close-up of the CARS spectra shown in (a) with dashed curves 3 and 4 showing low-intensity spectra measured with I p = 0.1 TW / cm 2 and I s = 0.01 TW / cm 2 .

Fig. 2
Fig. 2

Electron density calculated as a function of time with (solid curves) and without (dotted curves) impact ionization for a pump–Stokes laser field (shown by the dashed curve) with a maximum intensity of (1)  1.3 TW / cm 2 , (2)  5 TW / cm 2 , and (3)  16 TW / cm 2 . The critical electron density for 650 nm pump radiation is shown by the horizontal dash-dotted curve. The dashed curve is the intensity profile of the three-color input laser field, consisting of the pump, Stokes, and probe pulses.

Metrics