和很多伟大的科学发明一样，双光子显微镜的出现也有一点偶然，但正是那瞬间的灵感为生物科学尤其是神经科学带来了一种**性的成像技术：双光子激发荧光显微镜。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。双光子显微镜可以进行厚的组织样品拍摄。ultima2PPLUS双光子显微镜最大分辨率

其实电子显微镜相比光学显微镜的重要优势或意义不在于放大倍数，而在于超高的分辨率。这两者是不同的。一般来说，观察时，除了放大物体外，还需要将其与其他相邻物体区分开来。如果两个相邻粒子的图像在光学显微镜下，即使放大很大程度，也可能看到两个相交的亮点(艾里斑)，没有明显的边界(更不用说细节了)，说明分辨率不够。没有分辨率谈放大是没有意义的。光学显微镜的分辨率极限是阿贝极限，大约是光波波长的一半。通常称之为光学显微镜的放大极限，但准确的说应该叫分辨率极限。原因是光的衍射，根本原因是光的波粒二象性。电子衍射实验证明了电子的波动性，所以在电子显微镜中用电子代替光是可能的。电子显微镜也有很多种，被摄体像REM。也有根据衍射规律观察的电子显微镜，如低能电子衍射(LEED)和透射电子显微镜(TEM)。两者主要用于观察晶体，根据晶体的周期特性在倒易空间产生衍射像，借助埃尔沃德球或傅里叶变换将其变换到实空间，即可得到真实的晶体表面像。美国2PPLUS双光子显微镜成像视野一般是多少双光子显微镜还可以对一些具有双光子特性的染料细胞进行特定实验；

从双光子的原理和特点我们就可以明显的得出双光子的优点：☆光损伤小：由于双光子显微镜使用的是可见光或近红外光作为激发光源，这一波段的光对细胞和组织的光损伤小，适用于长时间的研究；☆穿透能力强：相对于紫外光，可见光和近红外光都具有更强的穿透能力，因而受生物组织散射的影响更小，解决对生物组织中深层物质的层析成像研究问题；☆高分辨率：由于双光子吸收截面很小，只有在焦平面很小的区域内可以激发出荧光，双光子吸收局限于焦点处的体积约为波长3次方的范围内；☆漂白区域小：由于激发只存在于交点处，所以焦点以外的区域都不会发生光漂白现象；☆荧光收集率高：与共聚焦成像相比，双光子成像不需要光学滤波器（共焦），这样就提高了对荧光的收集率，而收集率的提高直接导致图像对比度的提高；☆图像对比度高：由于荧光波长小于入射波长，因而瑞利散射产生的背景噪声只有单光子激发时的1/16，降低了散射的干扰；☆光子跃迁具有很强的选择激发性，所以可以对生物组织中一些特殊物质进行成像的研究；

配合双光子激发技术，激光共聚扫描显微镜则能更好得发挥功效。那么，什么是双光子激发技术呢？在高光子密度的情况下，荧光分子可以同时吸收2个长波长的光子使电子跃迁到较高能级，经过一个很短的时间后，电子再跃迁回低能级同时放出一个波长为长波长一半的光子（P=h/λ）。利用这个原理，便诞生了双光子激发技术。双光子显微镜使用长波长脉冲激光，通过物镜汇聚，由于双光子激发需要很高的光子密度，而物镜焦点处的光子密度是比较高的，所以只有在焦点处才能发生双光子激发，产生荧光，该点产生的荧光再次穿过物镜，被光探头接收，从而达到逐点扫描的效果。这种双光子显微镜的视场是普通显微镜的10倍。

双光子的来源:飞秒激光的双光子吸收理论早在1931年就由诺贝尔奖获得者MariaGoeppertMayer提出，并在30年后因为激光而得到实验验证，但WinfriedDenk用了近30年才发明了双光子显微镜。要理解双光子的技术挑战和飞秒激光发挥的重要作用，首先要理解非线性过程。双光子吸收相当于和频产生的非线性过程，需要极高的电场强度，电场取决于聚焦光斑的大小和激光脉冲宽度。聚焦光斑越小，脉冲宽度越窄，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与物镜NA和激光波长有关，所以关键变量只有激光脉冲宽度。基于以上分析，能够输出高重复率(100MHz)的超短脉冲(100fs量级)的飞秒激光已经成为双光子显微镜的标准激发光源。这再次显示了双光子显微镜的优势:双光子吸收只能在焦平面形成，而在焦平面之外，由于光强较低，无法激发，所以双光子成像更清晰。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。美国2PPLUS双光子显微镜磷光寿命计数

双光子显微镜能够进行光裂解、光转染和光损伤等光学操纵。ultima2PPLUS双光子显微镜最大分辨率

WinfriedDenk较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。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较左边。科学家正在从双光子转向三光子显微镜。1996年，ChrisXu在康奈尔大学(Denk同导师实验室)读博期间发明了三光子显微镜，如果双光子吸收可行，那么三光子看起来也是自然的发展方向。三光子成像使用更长的波长，大约在1.3和1.7微米，其成像深度也比双光子更深，目前记录约为2.2毫米，人类大脑皮层厚约4毫米。相比双光子显微镜，三光子还要求以较低重频使用更强和更短的激光脉冲，而传统的钛宝石激光器难以达到这些要求，但是对于掺镱光纤飞秒光参量放大器则非常容易，比如我们的Y-Fi光参量放大器(OPA)。ultima2PPLUS双光子显微镜最大分辨率