双光子显微镜的基本原理是：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，在经过一个很短的所谓激发态寿命的时间后，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。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，其脉冲宽度只有 100 飞秒，而其周期可以达到 80至100兆赫兹。在使用高数值孔径的物镜将脉冲激光的光子聚焦时，物镜的焦点处的光子密度是比较高的，双光子激发只发生在物镜的焦点上，所以双光子显微镜不需要共聚焦***，提高了荧光检测效率。双光子显微镜为什么穿透能力强?荧光激光双光子显微镜光毒性
随着技术的发展，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。要想让激发激光进入更深的层面，大致可从两个方面入手，装置优化与标本改造。关于装置优化，我们可以把激光束变得更细，使能量更加集中，就能让激光穿透更深。关于标本，其中影响光传播的主要是物质吸收和散射，解决这个问题，我们需要对样本进行透明化处理。一种方法是运用某种物质将标本浸泡，使其中的物质（主要是脂质）被破坏或溶解。另一种方法是运用电泳将脂质电解，让标本“透明度”提高。
国内ultima2PPLUS双光子显微镜作用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；
I try to explain why two-photon microscopy has a deeper imaging depth than one-photon microscopy, in the area of biomedical imaging. Many of the biomedical imaging modalities, no matter one-photon (confocal) or multi-photon (two-photon), use lasers as light source and require compatible fluorescent dyes.
Fluorescent dyes have their own excitation wavelength, and they can either be excited by a single photon with the photon energy of that excitation wavelength (E=hv=h*c/位); or by two photons, arriving almost at the same time, but each with approximately half of the energy, hence of double wavelength than one-photon (0.5E->2位). The former is the principle of one-photon microscopy and the latter is the principle of two-photon microscopy.
When imaging the same fluorescent dye, since two-photon could use approximately doubled wavelength compared with single-photon, two-photon can obviously penetrated deeper into the tissue due to less scattering (longer wavelength, less scattering).
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。光学成像本身具有高分辨率、高通量、非侵入和非毒性等特点，再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-photon Microscopy，简称TPM）的发明，则为此类研究带来了希望。双光子显微镜特有的非线性光学特性，再加上其工作波长处在红外区域等特点，令其在生物体组织内的穿透深度较大提高，使得双光子显微镜成为神经科学家进行神经成像较理想的工具。 双光子显微镜是结合了双光子技术和扫描共聚显微镜的一种新型荧光显微镜；
通过对微型光学系统的重新设计，FHIRM-TPM 2.0成像视野扩大至420×420平方微米，微型物镜的工作距离扩展至1毫米，以实现非侵入式成像；嵌入了可拆卸的快速轴向扫描模块，实现了180微米深度的三维体成像和多平面快速切换的实时成像。该模块由一个快速的电动变焦透镜和一对中继透镜组成，在不同深度成像时保持放大倍率恒定。其中，变焦模块重量1.8克，研究人员可根据实验需求自由拆卸。此外，新版微型化成像探头还可整体即时拔插，极大地简化了实验操作，避免了长周期实验时对动物的干扰。在重复装卸探头追踪同一批神经元时，视场旋转角小于0.07弧度，边界偏差小于35微米。双光子显微镜（包括多光子显微镜）同样采用点扫描的方式得到图像。国外investigator双光子显微镜
双光子显微镜可以精确穿透较厚标本进行定点、有生命体的观察！荧光激光双光子显微镜光毒性
随着技术的发展，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。
深要想让激发激光进入更深的层面，大致可从两个方面入手，装置优化与标本改造。
关于装置优化，我们可以把激光束变得更细，使能量更加集中，就能让激光穿透更深。
关于标本，其中影响光传播的主要是物质吸收和散射，解决这个问题，我们需要对样本进行透明化处理。一种方法是运用某种物质将标本浸泡，使其中的物质（主要是脂质）被破坏或溶解。另一种方法是运用电泳将脂质电解，让标本“透明度”提高。高光子密度带来的高能量容易损伤细胞，所以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，其脉冲达到最大值所持续的周期只有十万亿分之一秒，而其频率可以达到80至100兆赫，这样即能达到双光子激发的高光子密度要求，又能不损伤细胞，使扫描能更好地进行。
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