The use of semiconductor nanocrystals (quantum dots) as fluorescent labels for multiphoton microscopy enables multicolor imaging in demanding biological environments such as living tissue. We characterized water-soluble cadmium selenide-zinc sulfide quantum dots for multiphoton imaging in live animals. These fluorescent probes have two-photon action cross sections as high as 47,000 Goeppert-Mayer units, by far the largest of any label used in multiphoton microscopy. We visualized quantum dots dynamically through the skin of living mice, in capillaries hundreds of micrometers deep. We found no evidence of blinking (fluorescence intermittency) in solution on nanosecond to millisecond time scales.

Two-photon fluorescence microscopy1 enables scientists in various fields including neuroscience2,3, embryology4 and oncology5 to visualize in vivo and ex vivo tissue morphology and physiology at a cellular level deep within scattering tissue. However, tissue scattering limits the maximum imaging depth of two-photon fluorescence microscopy to the cortical layer within mouse brain, and imaging subcortical structures currently requires the removal of overlying brain tissue3 or the insertion of optical probes6,7. Here, we demonstrate non-invasive, high-resolution, in vivo imaging of subcortical structures within an intact mouse brain using three-photon fluorescence microscopy at a spectral excitation window of 1,700 nm. Vascular structures as well as red fluorescent protein-labelled neurons within the mouse hippocampus are imaged. The combination of the long excitation wavelength and the higher-order nonlinear excitation overcomes the limitations of two-photon fluorescence microscopy, enabling biological investigations to take place at a greater depth within tissue. Three-photon microscopy performed at the infrared wavelength of 1,700 nm makes it possible to image hard-to-reach vascular structures and labelled neurons in the hippocampus of a mouse brain.

Nanocrystals or quantum dots of the IV−VI semiconductors PbS, PbSe, and PbTe provide unique properties for investigating the effects of strong confinement on electrons and phonons. The degree of confinement of charge carriers can be many times stronger than in most II−VI and III−V semiconductors, and lead salt nanostructures may be the only materials in which the electronic energies are determined primarily by quantum confinement. This Account briefly reviews recent research on lead salt quantum dots.

Self-similar propagation of ultrashort, parabolic pulses in a laser resonator is observed theoretically and experimentally. This constitutes a new type of pulse shaping in mode-locked lasers: in contrast to the well-known static (solitonlike) and breathing (dispersion-managed soliton) pulse evolutions, asymptotic solutions to the nonlinear wave equation that governs pulse propagation in most of the laser cavity are observed. Stable self-similar pulses exist with energies much greater than can be tolerated in solitonlike pulse shaping, and this has implications for practical lasers.

In the course of the past several years, a new level of understanding has been achieved about conditions for the existence, stability, and generation of spatiotemporal optical solitons, which are nondiffracting and nondispersing wavepackets propagating in nonlinear optical media. Experimentally, effectively two-dimensional (2D) spatiotemporal solitons that overcome diffraction in one transverse spatial dimension have been created in quadratic nonlinear media. With regard to the theory, fundamentally new features of light pulses that self-trap in one or two transverse spatial dimensions and do not spread out in time, when propagating in various optical media, were thoroughly investigated in models with various nonlinearities. Stable vorticity-carrying spatiotemporal solitons have been predicted too, in media with competing nonlinearities (quadratic–cubic or cubic–quintic). This article offers an up-to-date survey of experimental and theoretical results in this field. Both achievements and outstanding difficulties are reviewed, and open problems are highlighted. Also briefly described are recent predictions for stable 2D and 3D solitons in Bose–Einstein condensates supported by full or low-dimensional optical lattices.

We demonstrate a modelocked ytterbium (Yb)-doped fiber laser that is designed to have strong pulse-shaping based on spectral filtering of a highly-chirped pulse in the cavity. This laser generates femtosecond pulses without a dispersive delay line or anomalous dispersion in the cavity. Pulses as short as 170 fs, with pulse energy up to 3 nJ, are produced.

The electronic structure of spherical PbS and PbSe quantum dots is calculated with a four-band envelope-function formalism. This calculation accounts for both exciton energies and wave functions with the correct symmetry of the materials. The selection rules and the strength of the dipole transitions of lead-salt quantum dots are derived accounting for the symmetry of the band-edge Bloch functions of the lead salts. The calculated energies of the optically allowed exciton states are found to be in good agreement with experimental data. The effects of many-body perturbations, such as Coulomb interactions and intervalley scattering, are also discussed.

Injection of photoexcited electrons from colloidal PbS quantum dots into TiO2 nanoparticles is investigated. The electron affinity and ionization potential of PbS quantum dots, inferred from cyclic voltammetry measurements, show strong size dependence due to quantum confinement. On the basis of the measured energy levels, photoexcited electrons should transfer efficiently from the quantum dots into TiO2 only for quantum-dot diameter below ∼4.3 nm. Continuous-wave fluorescence spectra and fluorescence transients of PbS quantum dots coupled to titanium dioxide nanoparticles are consistent with electron transfer for small quantum dots. The measured electron transfer time is surprisingly slow (∼100 ns), and implications of this for future photovoltaics will be discussed. Initial results obtained from solar cells sensitized with PbS quantum dots are presented.

Abstract The generation and stable propagation of ultrashort optical pulses tend to be limited by accumulation of excessive nonlinear phase shifts. The limitations are particularly challenging in fiber‐based devices, and as a result, short‐pulse fiber lasers have lagged behind bulk solid‐state lasers in performance. This article will review several new modes of pulse formation and propagation in fiber lasers. These modes exist with large normal cavity dispersion, and so are qualitatively distinct from the soliton‐like processes that have been exploited effectively in modern femtosecond lasers but which are also quite limiting. Self‐similar evolution can stabilize high‐energy pulses in fiber lasers, and this leads to order‐of‐magnitude increases in performance: fiber lasers that generate 10 nJ pulses of 100 fs duration are now possible. Pulse‐shaping based on spectral filtering of a phase‐modulated pulse yields similar performance, from lasers that have no intracavity dispersion control. These new modes feature highly‐chirped pulses in the laser cavity, and a theoretical framework offers the possibility of unifying our view of normal‐dispersion femtosecond lasers. Instruments based on these new pulse‐shaping mechanisms offer performance that is comparable to that of solid‐state lasers but with the major practical advantages of fiber.