双光子吸收理论早在1931年就由诺奖得主MariaGoeppertMayer提出，30年后因为有了激光才得到实验验证，但是到WinfriedDenk发明双光子显微镜又用了将近30年。要理解双光子的技术挑战和飞秒激光发挥的重要作用，首先要了解其中的非线性过程。双光子吸收相当于和频产生非线性过程，这要求极高的电场强度，而电场取决于聚焦光斑大小和激光脉宽。聚焦光斑越小，脉宽越窄，双光子吸收效率越高。对于衍射极限显微镜，聚焦在样品上的光斑大小只和物镜NA和激光波长有关，所以关键变量只剩下激光脉宽。基于以上分析，能够以高重频(100MHz)输出超短脉冲(100fs量级)的飞秒激光器成了双光子显微镜的标准激发光源。这也再次说明双光子显微镜的优势：只有焦平面处才能形成双光子吸收，而焦平面之外由于光强低无法被激发，所以双光子成像更清晰。WinfriedDenk初使用的光源是染料飞秒激光器(100fs脉宽、630nm可见光波长)。虽然染料激光器对于实验室演示尚可，但是使用很不方便所以远未实现商用。很快双光子显微镜的标配光源就变成了飞秒钛宝石激光器。除了固态光源优势，钛宝石激光器还具有较宽的近红外波长调谐范围，而近红外相比可见光穿透更深，对生物样品损伤更小。双光子显微镜可以进行厚的组织样品拍摄。国外ultima2PPLUS双光子显微镜供应商联系方式
后续实验使用碘化丙啶(PI)来指示细胞在7、8、9和10分钟的延时观察后的损伤情况，来验证该光学系统对活细胞长期观察的适用性。在观察期间，88个焦点以100毫秒的曝光时间，曝光间隔1s照射样品，激发强度为3.21×104W/cm2，激发波长为525nm，使用前文提到的60×物镜及1.0AU孔径，图5(a)-(d)为引入PI的成像图，(e)-(h)为相应的相应衬度图。改变激发条件为每照射500ms间隔5s，得到相应的(i)-(p)。由图像可知，延时观察小于8分钟的情况下不造成可见细胞损伤，对于实际3D延时成像，由于焦平面是移动的，所以预期细胞存活时间会更长，可见这是一种在3D在体延时成像中具有很大优势的成像方案。国外ultima双光子显微镜图像对比度双光子显微镜使用高能量锁模脉冲激光器。
双光子显微镜的优势：在深度组织中以较长时间对活细胞成像，双光子显微镜是当前之选。双光子和共聚焦显微镜都是通过激光激发样品中的荧光标记，使用探测器测量被激发的荧光。但是，共聚焦一般使用单模光纤耦合激光器，通过单光子激发荧光，而双光子使用飞秒激光器，通过几乎同时吸收两个长波光子激发荧光。下面是两种技术的对比图。双光子激发荧光的主要优势：双光子比共聚焦使用的更长的波长，所以对组织的损伤更小且穿透更深。共聚焦的成像深度一般为100微米，双光子则能达到250到500微米，甚至超过1毫米。另外，同时吸收两个光子意味只有较强度聚焦点处能被激发，所以不会损伤焦平面之外的组织，并且生成更清晰的图像。
WinfriedDenk使用的第1个光源是染料飞秒激光(脉冲宽度100fs，可见光波长630nm)。染料激光虽然实验室演示可以接受，但是使用起来不方便，所以离商业化还很远。很快双光子显微镜的标准光源变成了飞秒钛宝石激光器。钛宝石激光器除了具有固态光源的优点外，还具有近红外波长调谐范围宽，而近红外比可见光穿透更深，对生物样品的损伤更小。下图是Thorlabs的双光子和三光子显微镜配置，钛宝石飞秒可调谐激光器位于平台左侧。从双光子到三光子科学家们正在从双光子显微镜转向三光子显微镜。1996年，ChrisXu在康奈尔大学(Denk的导师实验室)读博时发明了三光子显微镜。如果双光子吸收是可行的，那么三光子似乎是自然的发展方向。三光子成像使用更长的波长，大约1.3和1.7微米，成像深度比双光子更深。目前录音大约2.2毫米，人的大脑皮层厚度大约4毫米。与双光子显微镜相比，三光子需要使用更强、更短、重复率更低的激光脉冲，这是传统的钛宝石激光器很难满足的，但对于掺镱光纤飞秒光参量放大器，比如我们的Y-Fi光参量放大器(OPA)就非常容易。双光子显微镜比单光子共聚焦显微镜较大的不同在于无须使用孔限制光学散射。
临研所、病理科和科研处邀请北京大学王爱民副教授在2020年12月22日做了题目为“新一代微型双光子显微成像系统介绍及其在临床医疗诊断”的学术报告。学术报告由临研所医学实验研究平台潘琳老师主持。王爱民，北京大学信息科学技术学院副教授，毕业于北京大学物理系，获学士、硕士学位，后于英国巴斯大学物理系获博士学位。该研究组研发的微型双光子显微镜，第1次在国际上获得了小鼠大脑神经元和神经突触清晰稳定的动态信号，该成果获得了2017年度“中国光学进展”和“中国科学进展”，并被NatureMethods评为2018年度“年度方法--无限制行为动物成像”。目前，该研究组正在研究新一代双光子显微成像技术在临床诊断中的应用，为未来即时病理、离体组织检测、术中诊断等提供新型的影像手段和分析方法。双光子显微镜的性能得到不断地优化，结合它的特点，大致可以分成深和活两个方面的提升。国外激光双光子显微镜的原理
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1990年初，当WinfriedDenk刚从康奈尔大学博士毕业准备前往瑞士读博后时，他看了一本关于激光扫描显微镜的书，从中了解到非线性光学效应——强光和物质的相互作用。当时，Denk有同事研究生物样品中的钙离子但苦于没有强大的紫外激光器和光学元件，于是他就想到如果使用双光子吸收就能够绕开紫外，换言之，与其通过一个紫外光子激发标记的钙离子，通过两个双倍波长的可见光光子也能激发相同的荧光。有了想法后马上实验。借了一套染料飞秒激光器，Denk联合他的导师WattWebb及其博士生JamesStrickler只用六个小时就完成了实验搭建，采集数据则用了两到三天，于是一篇里程碑式的文章就此诞生了。国外ultima2PPLUS双光子显微镜供应商联系方式
