2008年钱永健等人由于荧光蛋白（GFP，绿色荧光蛋白）的发现和使用，获得了诺贝尔化学奖，是对荧光成像技术的一次巨大肯定和推动。与荧光蛋白以及荧光染料等标记物在细胞中的定位与表达技术相结合，使得科学家可以特异性的分辨生物体乃至细胞内部不同结构与成分，并且能够在生命体和细胞仍具有活性的状态下（状态）对其功能进行动态观察。这就使得荧光成像技术成为了无可替代的，生物学家现今较为重要的技术手段之一。目前，大多数细胞生物学和生理学研究主要还是在离体培养的细胞体系中研究。然而与细胞生物学研究有所不同的是，大脑的功能研究的整体性和原位性显得更加关键：只研究分离的神经元无法解释神经系统的功能和规律。由于被观测的信号会受到样本组织的散射和吸收，根本无法穿透如此深的组织进行成像。而双光子显微镜（Two-photonMicroscopy，简称TPM）的发明，则为此类研究带来了希望。双光子显微镜能够在细胞甚至是亚细胞水平上对神经细胞的形态结构、离子浓度、细胞运动、进行直接成像监测。进口ultimainvestigator双光子显微镜图像对比度
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。从双光子到三光子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)。美国ultima双光子显微镜荧光探测双光子显微镜中，同样每个时刻只有焦平面上一个点的信号被探测，并且连焦平面外的荧光信号也不会有。
在高光子密度的情况下，荧光分子可以同时吸收两个长波长的光子，然后发射出一个波长较短的光子，其效果和使用一个波长为长波长一半的光子去激发荧光分子是相同的（如下图）。如烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH），在单光子激发时，在波长为350nm光的激发下发出450nm荧光；而在双光子激发时，可采用750nm的激发光得到450nm荧光。由于双光子激发需要很高的光子密度，为了不损伤细胞，双光子显微镜使用高能量锁模脉冲激光器。这种激光器发出的激光具有很高的峰值能量和很低的平均能量，从而可以减少光漂白和光毒性带来的不利影响。
基因编码的荧光探针可用于在突触和细胞分辨率下监测体内神经元信号，这是揭示动物神经活动复杂机制的关键。双光子显微镜(2PM)可以对钙离子传感器和谷氨酸传感器进行亚细胞分辨率的成像，从而测量不透明脑深部的活动。成像膜的电压变化可以直接反映神经元的活动，但神经元活动的速度对于常规的2PM来说太快了。目前，电压成像主要由宽视场显微镜实现，但其空间分辨率较差，且只能在浅深度成像。因此，为了以高空间分辨率成像不透明脑中膜电压的变化，需要将成像速率提高2PM。面向模块输出端的子脉冲序列可视为从虚拟光源阵列发出的光，这些子脉冲在中继到显微镜物镜后形成空间分离和时间延迟的聚焦阵列。然后，该模块被集成到一个带有高速数据采集系统的标准双光子荧光显微镜中，如图2所示。光源是重复频率为1MHz的920nm激光器。FACED模块可以产生80个脉冲焦点，脉冲时间间隔为2ns。这些焦点是虚拟源的图像。虚光源越远，物镜处的光束尺寸越大，焦点越小。光束可以沿Y轴比沿X轴更好地填充物镜，从而在X轴上产生0.82m和0.35m的横向分辨率。双光子显微镜是新型的荧光显微镜，其原理大致是这样的；
单光子显微技术是成熟的荧光显微技术，但由于其使用的激发光波长较短，成像深度有限；能量较大,会造成对荧光物质的漂白,光毒性严重。激光共焦扫描显微镜由于共焦显微镜的孔径很小,实现样本三维成像要逐点扫描,成像速度慢,对样本损害大,很难用于长时间活细胞成像。而宽场显微镜能够很好地实现实时动态成像,光漂白小,因而较早应用于活细胞内的实时检测，但宽场显微镜由于离焦信号的干扰,难以实现多维成像。双光子荧光显微镜（Two-PhotonLaser-ScanningMicroscopy）。双光子显微成像技术是近些年发展起来的结合了共聚焦激光扫描显微镜和双光子激发技术的一种新型非线性光学成像方法,采用长波激发，能对组织进行深层次成像。常用的比较好激发波长大多位于800-900nm，而水、血液和固有组织发色团对这个波段的光吸收率低，此外散射的激发光子不能激发样品，因此背景第，光损伤小，适用于在体检测。双光子荧光成像技术能准确定位细胞内置入的微电极位置，从而观察胞体、树突甚至单个树突棘的活性。研究者可完整的观察神经组织的分辨荧光图像,甚至可以分辨神经细胞单个树突棘中的钙分布。双光子显微镜使用长波长脉冲光，是通过物镜汇聚的。美国ultima双光子显微镜荧光探测
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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。进口ultimainvestigator双光子显微镜图像对比度
