雙光子吸收理論早在1931年就由諾獎(jiǎng)得主MariaGoeppertMayer提出，30年后因?yàn)橛辛思す獠诺玫綄?shí)驗(yàn)驗(yàn)證，但是到WinfriedDenk發(fā)明雙光子顯微鏡又用了將近30年。要理解雙光子的技術(shù)挑戰(zhàn)和飛秒激光發(fā)揮的重要作用，首先要了解其中的非線性過(guò)程。雙光子吸收相當(dāng)于和頻產(chǎn)生非線性過(guò)程，這要求極高的電場(chǎng)強(qiáng)度，而電場(chǎng)取決于聚焦光斑大小和激光脈寬。聚焦光斑越小，脈寬越窄，雙光子吸收效率越高。對(duì)于衍射極限顯微鏡，聚焦在樣品上的光斑大小只和物鏡NA和激光波長(zhǎng)有關(guān)，所以關(guān)鍵變量只剩下激光脈寬。基于以上分析，能夠以高重頻(100MHz)輸出超短脈沖(100fs量級(jí))的飛秒激光器成了雙光子顯微鏡的標(biāo)準(zhǔn)激發(fā)光源。這也再次說(shuō)明雙光子顯微鏡的優(yōu)勢(shì)：只有焦平面處才能形成雙光子吸收，而焦平面之外由于光強(qiáng)低無(wú)法被激發(fā)，所以雙光子成像更清晰。WinfriedDenk初使用的光源是染料飛秒激光器(100fs脈寬、630nm可見(jiàn)光波長(zhǎng))。雖然染料激光器對(duì)于實(shí)驗(yàn)室演示尚可，但是使用很不方便所以遠(yuǎn)未實(shí)現(xiàn)商用。很快雙光子顯微鏡的標(biāo)配光源就變成了飛秒鈦寶石激光器。除了固態(tài)光源優(yōu)勢(shì)，鈦寶石激光器還具有較寬的近紅外波長(zhǎng)調(diào)諧范圍，而近紅外相比可見(jiàn)光穿透更深，對(duì)生物樣品損傷更小。雙光子顯微鏡在生物醫(yī)學(xué)研究中有廣泛的應(yīng)用，可以觀察細(xì)胞內(nèi)的亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)、蛋白質(zhì)分布、細(xì)胞活動(dòng)等。熒光激光雙光子顯微鏡最大分辨率

宇宙，浩瀚無(wú)垠，在數(shù)百億光年可觀測(cè)的空間里閃爍著上萬(wàn)億個(gè)星系。人類1400克的大腦,如同一個(gè)小小的宇宙，包含了百億級(jí)神經(jīng)元和百萬(wàn)億級(jí)的神經(jīng)突觸，其結(jié)構(gòu)和功能上極其復(fù)雜而精密的連接，涌現(xiàn)出意識(shí)和思想--大腦小宇宙隱藏著世界上較佳麗較深邃的奧秘。新千年伊始，世界科技強(qiáng)國(guó)紛紛啟動(dòng)有史以來(lái)比較大規(guī)模的腦科學(xué)研究計(jì)劃，人類探索大腦的波瀾壯闊的歷史畫卷正在展開(kāi)。工欲善其事，必先利其器。目前，各國(guó)腦科學(xué)計(jì)劃的一個(gè)重要方向就是打造用于全景式解析腦連接圖譜和功能動(dòng)態(tài)圖譜的研究工具。其中，如何打破尺度壁壘，整合微觀神經(jīng)元和神經(jīng)突觸活動(dòng)與大腦整體的活動(dòng)和個(gè)體行為信息，是領(lǐng)域內(nèi)亟待解決的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。國(guó)外ultima雙光子顯微鏡磷光壽命計(jì)數(shù)雙光子顯微鏡明日之星--FemtoFiber ultra 920 。

有了雙光子激發(fā)技術(shù)，激光共聚掃描顯微鏡可以發(fā)揮更好的作用。那么，什么是雙光子激發(fā)技術(shù)呢？在光子密度較高的情況下，熒光分子可以同時(shí)吸收兩個(gè)波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光子，使電子躍遷到更高的能級(jí)。短時(shí)間后，電子跳回到較低的能級(jí)，發(fā)出波長(zhǎng)為長(zhǎng)波長(zhǎng)一半的光子(P=h/λ)。利用這個(gè)原理，雙光子激發(fā)技術(shù)誕生了。雙光子顯微鏡使用長(zhǎng)波長(zhǎng)脈沖激光通過(guò)物鏡會(huì)聚。由于雙光子激發(fā)需要很高的光子密度，物鏡焦點(diǎn)處的光子密度比較高，所以雙光子激發(fā)只能發(fā)生在焦點(diǎn)處產(chǎn)生熒光，該點(diǎn)產(chǎn)生的熒光穿過(guò)物鏡，被光學(xué)探頭接收，從而達(dá)到逐點(diǎn)掃描的效果。

從雙光子的原理和特點(diǎn)我們就可以明顯的得出雙光子的優(yōu)點(diǎn)：☆穿透能力強(qiáng)：相對(duì)于紫外光，可見(jiàn)光和近紅外光都具有更強(qiáng)的穿透能力，因而受生物組織散射的影響更小，解決對(duì)生物組織中深層物質(zhì)的層析成像研究問(wèn)題；☆高分辨率：由于雙光子吸收截面很小，只有在焦平面很小的區(qū)域內(nèi)可以激發(fā)出熒光，雙光子吸收局限于焦點(diǎn)處的體積約為波長(zhǎng)3次方的范圍內(nèi)；☆漂白區(qū)域?。河捎诩ぐl(fā)只存在于交點(diǎn)處，所以焦點(diǎn)以外的區(qū)域都不會(huì)發(fā)生光漂白現(xiàn)象；☆熒光收集率高：與共聚焦成像相比，雙光子成像不需要光學(xué)濾波器（共焦），這樣就提高了對(duì)熒光的收集率，而收集率的提高直接導(dǎo)致圖像對(duì)比度的提高。雙光子顯微鏡不需要共聚焦細(xì)孔，提高了熒光檢測(cè)效率。

像差問(wèn)題一直困擾著光學(xué)領(lǐng)域的工作者。像差會(huì)使光波前發(fā)生形變，不僅降低成像的信噪比和分辨率，使得很多時(shí)候我們只能“霧里看花”，更甚者，產(chǎn)生贗像，或無(wú)法獲得有意義的圖像。像差問(wèn)題對(duì)雙光子成像的影響尤為嚴(yán)重，因?yàn)樵谀抢?，熒光信?hào)對(duì)入射光強(qiáng)度的依賴是平方關(guān)系，一旦入射光波前形變，不僅聚焦強(qiáng)度大幅下降，成像分辨率也急劇惡化。因此，如何解決像差問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)，例如小鼠大腦皮層，深層區(qū)域的高質(zhì)量成像成為光學(xué)成像發(fā)展中相當(dāng)有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題之一。雙光子顯微鏡將得到更大的發(fā)展與更廣的應(yīng)用。美國(guó)熒光雙光子顯微鏡成像原理

雙光子顯微鏡比單光子共聚焦顯微鏡較大的不同在于無(wú)須使用孔限制光學(xué)散射。熒光激光雙光子顯微鏡最大分辨率

從雙光子到三光子：科學(xué)家正在從雙光子轉(zhuǎn)向三光子顯微鏡。1996年，ChrisXu在康奈爾大學(xué)(Denk同導(dǎo)師實(shí)驗(yàn)室)讀博期間發(fā)明了三光子顯微鏡，如果雙光子吸收可行，那么三光子看起來(lái)也是自然的發(fā)展方向。三光子成像使用更長(zhǎng)的波長(zhǎng)，大約在1.3和1.7微米，其成像深度也比雙光子更深，目前記錄約為2.2毫米，人類大腦皮層厚約4毫米。相比雙光子顯微鏡，三光子還要求以較低重頻使用更強(qiáng)和更短的激光脈沖，而傳統(tǒng)的鈦寶石激光器難以達(dá)到這些要求，但是對(duì)于摻鐿光纖飛秒光參量放大器則非常容易，比如我們的Y-Fi光參量放大器(OPA)。熒光激光雙光子顯微鏡最大分辨率