像差問題一直困擾著光學領域的工作者。像差會使光波前發生形變，不僅降低成像的信噪比和分辨率，使得很多時候我們只能“霧里看花”，更甚者，產生贗像，或無法獲得有意義的圖像。像差問題對雙光子成像的影響尤為嚴重，因為在那里，熒光信號對入射光強度的依賴是平方關系，一旦入射光波前形變，不僅聚焦強度大幅下降，成像分辨率也急劇惡化。因此，如何解決像差問題，實現，例如小鼠大腦皮層，深層區域的高質量成像成為光學成像發展中相當有挑戰性的問題之一。于雙光子激發需要兩個光子同時到達，因此只有在焦點附近的樣品區域才會激發，從而實現三維成像和高分辨率。進口熒光雙光子顯微鏡原理

雙光子吸收理論早在1931年就由諾獎得主MariaGoeppertMayer提出，30年后因為有了激光才得到實驗驗證，但是到WinfriedDenk發明雙光子顯微鏡又用了將近30年。要理解雙光子的技術挑戰和飛秒激光發揮的重要作用，首先要了解其中的非線性過程。雙光子吸收相當于和頻產生非線性過程，這要求極高的電場強度，而電場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和激光波長有關，所以關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)的飛秒激光器成了雙光子顯微鏡的標準激發光源。這也再次說明雙光子顯微鏡的優勢：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低無法被激發，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可見光波長)。雖然染料激光器對于實驗室演示尚可，但是使用很不方便所以遠未實現商用。很快雙光子顯微鏡的標配光源就變成了飛秒鈦寶石激光器。除了固態光源優勢，鈦寶石激光器還具有較寬的近紅外波長調諧范圍，而近紅外相比可見光穿透更深，對生物樣品損傷更小。國外熒光激光雙光子顯微鏡成像技術雙光子顯微鏡在生物醫學研究中有廣泛的應用，可以觀察細胞內的亞細胞結構、蛋白質分布、細胞活動等。

通過對微型光學系統的重新設計，FHIRM-TPM2.0成像視野擴大至420×420平方微米，微型物鏡的工作距離擴展至1毫米，以實現非侵入式成像；嵌入了可拆卸的快速軸向掃描模塊，實現了180微米深度的三維體成像和多平面快速切換的實時成像。該模塊由一個快速的電動變焦透鏡和一對中繼透鏡組成，在不同深度成像時保持放大倍率恒定。其中，變焦模塊重量1.8克，研究人員可根據實驗需求自由拆卸。此外，新版微型化成像探頭還可整體即時拔插，極大地簡化了實驗操作，避免了長周期實驗時對動物的干擾。在重復裝卸探頭追蹤同一批神經元時，視場旋轉角小于0.07弧度，邊界偏差小于35微米。

其實電子顯微鏡相比光學顯微鏡的重要優勢或意義不在于放大倍數，而在于超高的分辨率。這兩者是不同的。一般來說，觀察時，除了放大物體外，還需要將其與其他相鄰物體區分開來。如果兩個相鄰粒子的圖像在光學顯微鏡下，即使放大很大程度，也可能看到兩個相交的亮點(艾里斑)，沒有明顯的邊界(更不用說細節了)，說明分辨率不夠。沒有分辨率談放大是沒有意義的。光學顯微鏡的分辨率極限是阿貝極限，大約是光波波長的一半。通常稱之為光學顯微鏡的放大極限，但準確的說應該叫分辨率極限。原因是光的衍射，根本原因是光的波粒二象性。電子衍射實驗證明了電子的波動性，所以在電子顯微鏡中用電子代替光是可能的。電子顯微鏡也有很多種，被攝體像REM。也有根據衍射規律觀察的電子顯微鏡，如低能電子衍射(LEED)和透射電子顯微鏡(TEM)。兩者主要用于觀察晶體，根據晶體的周期特性在倒易空間產生衍射像，借助埃爾沃德球或傅里葉變換將其變換到實空間，即可得到真實的晶體表面像。上海雙光子顯微鏡就找因斯蔻浦。

WinfriedDenk較初使用的光源是染料飛秒激光器(100fs脈寬、630nm可見光波長)。雖然染料激光器對于實驗室演示尚可，但是使用很不方便所以遠未實現商用。很快雙光子顯微鏡的標配光源就變成了飛秒鈦寶石激光器。除了固態光源優勢，鈦寶石激光器還具有較寬的近紅外波長調諧范圍，而近紅外相比可見光穿透更深，對生物樣品損傷更小。下圖是Thorlabs的雙光子和三光子顯微鏡配置，鈦寶石飛秒可調諧激光器位于平臺較左邊。科學家正在從雙光子轉向三光子顯微鏡。1996年，ChrisXu在康奈爾大學(Denk同導師實驗室)讀博期間發明了三光子顯微鏡，如果雙光子吸收可行，那么三光子看起來也是自然的發展方向。三光子成像使用更長的波長，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和更短的激光脈沖，而傳統的鈦寶石激光器難以達到這些要求，但是對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)。雙光子顯微鏡使用的是高能量鎖模脈沖器。國外雙光子顯微鏡廠家

雙光子顯微鏡還可以對一些具有特性的染料細胞進行實驗，還有一些短波長可以利用雙光子特性進行特定實驗。進口熒光雙光子顯微鏡原理

隨著技術的發展，雙光子顯微鏡的性能不斷優化。結合其特點，大致可以分為兩個方面:深入和主動改進。為了使激發激光進入更深的層次，可以從器件優化和標本改造兩個方面入手。關于器件的優化，我們可以把激光束做得更細，集中能量，讓激光穿透得更深。對于樣品，物質的吸收和散射是影響光傳播的主要因素。為了解決這個問題，我們需要將樣本透明化。一種方法是用某種物質浸泡標本，使其中的物質(主要是脂質)被破壞或溶解。另一種方法是通過電泳電解脂類，從而提高標本的“透明度”。進口熒光雙光子顯微鏡原理