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Winfried Denk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Watt Webb及其博士生James Strickler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。 如果已经有了飞秒光，就可以几套双光子显微镜共享一台，只需分光即可。国外激光双光子显微镜供应商
原来，双光子显微镜可以精确穿透较厚标本进行定点、***观察！
由于电磁波的波长越短，粒子性越强，受散射影响也就越大。双光子显微镜将激发光源改为长波长激光，在增加了激光的穿透性的同时还减少了对细胞的毒性。除此之外，因为只有物镜焦点处能发生双光子激发效应，所以扫描的精确度极高，也能提高激发光效率，减少被扫描点之外的荧光物质消耗。 进口双光子显微镜的成像视野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；
双光子之源：飞秒激光双光子吸收理论早在1931年就由诺奖得主Maria Goeppert Mayer提出，30年后因为有了激光才得到实验验证，但是到Winfried Denk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(100 MHz)输出超短脉冲(100 fs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。
双光子显微镜为什么穿透能力强？生物组织在近红外波段存在两个窗口,第1个近红外窗口对应波长在700nm-900nm,第2个近红外窗口对应波长在1000nm-1400nm之间。举例说明就是单晶硅对于可见光几乎是不透明的，但是对于红外波段就像是“水晶”一样通透性很好了。原因有两点：
1.生物组织对红外光的吸收弱，对可见光吸收强。类似的，平时用手电筒照射手指，会看到手通透红亮，也是由于生物组织对长波长的红光吸收少。
2.生物组织对红外光的散射弱。因为瑞利散射的强度反比于波长λ的四次方。类似的，早晨的太阳非常红，也就是因为长波长的红光穿透力更强。
这两点共同导致长波长的红外光比可见光对生物组织的穿透能力强。 双光子显微镜角膜成像；
在传统宽场显微镜中，来自标本不同纵深的光线都可投射到同一焦平面（感光元件）上，所以其成像是整个样品的重叠像，没有纵向分辨能力。单光子激光共聚焦显微镜用***有效滤除了杂散光，分辨率有了本质上的提高，拥有了对样品的特定焦平面精细成像的能力，可以进行三维成像、动态成像等。然而，***在滤除杂散光的同时也将大部分来自焦平面的荧光滤除了，只有很弱的荧光到达检测器。若要提高信号强度，需要加大激发光功率，这又会导致对活细胞的光毒性和荧光分子的光漂白增加。双光子显微镜比较大的优势来源于其双光子光源的非线性光学效应，与单光子共聚焦显微镜比较大的不同在于无须使用***限制光学散射，其具体优势如下。双光子显微镜已延伸到各个领域研究中，它能对样品进行三维观察；国内激光双光子显微镜代理商
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综上，FHIRM-TPM 2.0扩大了微型双光子显微镜的适用性和实用性，使神经科学家能够更自由地探索更多新的行为范式，包括身体运动、长时程的复杂过程，如学习和记忆，社会互动和恐惧条件反射，甚至是慢性疾病的进展和老化，如神经发生和再生，疾病进展和衰老，以破译大脑的奥秘。在一批“早鸟项目”中，该系统已被多个研究组应用于不同的模式动物和行为范式，如小鼠的社交新颖性识别、斑胸草雀受***调控后大脑特定神经元变化、新型神经递质乙酰胆碱探针的传导适应性分析以及猕猴三脑区成像等多项研究。依托两代微型化双光子成像技术，该团队还在南京市江北新区建立了规模化高通量脑功能成像的南京脑观象台（Nanjing Brian Observatory），于2020年12月10日举办了落成典礼。通过与世界范围内的神经科学家进行广合作，脑观象台现正在服务三十多个科研项目，成为开展大型脑科学问题研究的重要科研服务平台。
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