從雙光子到三光子：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(fā)明了三光子顯微鏡，如果雙光子吸收可行，那么三光子看起來也是自然的發(fā)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(tǒng)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)。雙光子顯微鏡大量運營在實驗室當中；美國bruker雙光子顯微鏡光子探測

雙光子吸收理論早在1931年就由諾獎得主提出，30年后因為有了激光才得到實驗驗證，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?；谝陨戏治?，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(fā)光源。這也再次說明雙光子顯微鏡的優(yōu)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(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(tài)光源優(yōu)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。ultima2PPLUS雙光子顯微鏡光損傷微型雙光子顯微鏡的優(yōu)勢是。

利用鈣成像技術記錄大腦活動，隨著功能光學成像技術的發(fā)展，神經學家們已經可以研究腦區(qū)和神經元內部的工作情況。功能鈣成像技術就是其中之一，其主要原理是將外源性熒光信號和生理現象耦合起來——通過熒光染料信號的改變反映細胞內游離鈣離子濃度，以此細胞的功能狀態(tài)。目前它被廣泛應用于實時監(jiān)測一群相關神經元內鈣離子的變化，從而判斷其功能活動。該技術的出現使得科學家可以親眼目睹神經信號在神經網絡之中時間和空間上的傳遞穿梭。

宇宙，浩瀚無垠，在數百億光年可觀測的空間里閃爍著上萬億個星系。人類1400克的大腦,如同一個小小的宇宙，包含了百億級神經元和百萬億級的神經突觸，其結構和功能上極其復雜而精密的連接，涌現出意識和思想--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，世界科技強國紛紛啟動有史以來比較大規(guī)模的腦科學研究計劃，人類探索大腦的波瀾壯闊的歷史畫卷正在展開。工欲善其事，必先利其器。目前，各國腦科學計劃的一個重要方向就是打造用于全景式解析腦連接圖譜和功能動態(tài)圖譜的研究工具。其中，如何打破尺度壁壘，整合微觀神經元和神經突觸活動與大腦整體的活動和個體行為信息，是領域內亟待解決的一個關鍵挑戰(zhàn)。雙光子顯微鏡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發(fā)動，所以雙光子成像更清晰。

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(fā)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(qū)域的高質量成像成為光學成像發(fā)展中相當有挑戰(zhàn)性的問題之一。雙光子顯微鏡除了可以進行厚的組織樣品拍攝以外呢，可以在小鼠的的任何部位進行成像。國外激光熒光雙光子顯微鏡的原理

對于顯微成像技術包含：寬場熒光顯微鏡、激光共聚焦顯微鏡、轉盤共聚焦顯微鏡、雙光子顯微鏡。美國bruker雙光子顯微鏡光子探測

目前，世界各國的腦科學研究如火如荼，中國的腦計劃也即將啟動。其中，關于全景式解析腦連接圖譜和功能動態(tài)圖譜的研究成為重點研究方向，而如何打破尺度壁壘，融合微觀神經元和神經突觸活動與大腦整體的信息處理和個體行為信息，是領域內亟待解決的一個關鍵挑戰(zhàn)。2021年1月6日，由北京大學分子醫(yī)學研究所牽頭，聯(lián)合北大信息科學技術學院電子學系、工學院以及中國人民******醫(yī)學科學院等組成的跨學科團隊，在NatureMethods在線發(fā)表題為“Miniaturetwo-photonmicroscopyforenlargedfield-of-view,multi-plane,andlong-termbrainimaging”的文章。文中報道了第二代微型化雙光子熒光顯微鏡FHIRM-TPM2.0，其成像視野是該團隊于2017年發(fā)布的低1代微型化顯微鏡的7.8倍，同時具備三維成像能力，獲取了小鼠在自由運動行為中大腦三維區(qū)域內上千個神經元清晰穩(wěn)定的動態(tài)功能圖像，并且實現了針對同一批神經元長達一個月的追蹤記錄。美國bruker雙光子顯微鏡光子探測