细胞内钙离子作为重要的信号分子其作用具有时间性和空间性。当个细胞兴奋时，产生了一个电冲动，此时，细胞外的钙离子流入该细胞内，促使该细胞分泌神经递质，神经递质与相邻的下一级神经细胞膜上的蛋白分子结合，促使这一级神经细胞产生新的电冲动。以此类推，神经信号便一级一级地传递下去，从而构成复杂的信号体系，终形成学习、记忆等大脑的高级功能。在哺乳动物神经系统中，钙离子同样扮演着重要的信号分子的角色。静息状态下大部分神经元细胞内钙离子浓度约为50-100nM，而细胞兴奋时钙离子浓度能瞬间上升10-100倍，增加的钙离子对于突触囊泡胞吐释放神经递质的过程必不可少。众所周知，只有游离钙才具有生物学活性，而细胞质内钙离子浓度由钙离子的内外流平衡所决定，同时也受钙结合蛋白的影响。细胞外钙离子内流的方式有很多种，其中包括电压门控钙离子通道、离子型谷氨酰胺受体、烟碱型胆碱能受体（nAChR）和瞬时受体电位C型通道（TRPC）等。神经元钙成像的原理就是利用特殊的荧光染料或钙离子指示剂将神经元中钙离子浓度的变化通过荧光强度表现出来，以反映神经元活性。该方法可以同时去观察多个功能或位置相关的脑细胞。双光子显微镜是新型的荧光显微镜，其原理大致是这样的；美国ultimainvestigator双光子显微镜原理
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双光子显微镜图像对比度双光子显微镜工作原理是利用两个光子的能量相加达到荧光激发能量阈值，来激发样品中荧光分子发出荧光信号。
2020年，临研所、病理科和科研处邀请北京大学王爱民副教授做了题目为“新一代微型双光子显微成像系统介绍及其在临床医疗诊断”的学术报告。学术报告由临研所医学实验研究平台潘琳老师主持。王爱民，北京大学信息科学技术学院副教授，毕业于北京大学物理系，获学士、硕士学位，后于英国巴斯大学物理系获博士学位。该研究组研发的微型双光子显微镜，第1次在国际上获得了小鼠大脑神经元和神经突触清晰稳定的动态信号，该成果获得了2017年度“中国光学进展”和“中国科学进展”，并被NatureMethods评为2018年度“年度方法--无限制行为动物成像”。目前，该研究组正在研究新一代双光子显微成像技术在临床诊断中的应用，为未来即时病理、离体组织检测、术中诊断等提供新的影像手段和分析方法。
从双光子的原理和特点，我们可以清楚地得出双光子的优点:☆光损伤小:由于双光子显微镜采用可见光或近红外光作为激发光源，因此该波段的光对细胞和组织的光损伤很小，适合长期研究；☆穿透能力强:与紫外光相比，可见光和近红外光的穿透能力更强，因此受生物组织散射的影响更小，解决了生物组织深层物质的层析成像问题；☆高分辨率:由于双光子吸收的截面很小，只能在焦平面很小的区域激发荧光，双光子吸收被限制在焦点处体积约为波长三次方的范围内；☆漂白区域小:由于激发只存在于交点处，焦点外的区域不会发生光漂白；☆荧光收集率高:与共焦成像相比，双光子成像不需要滤光片(共焦)，提高了荧光收集率，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，瑞利散射产生的背景噪声*为单光子激发产生的1/16，减少了散射的干扰；光子跃迁具有很强的选择性激发，因此可以用来对生物组织中的一些特殊物质进行成像；由于其非侵入性和高分辨率的特点，双光子显微镜成为了研究神经科学、ai症研究、免疫学等领域的重要工具。
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；双光子显微镜在组织透明化成像中应用。国外激光荧光双光子显微镜分辨率
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。美国ultimainvestigator双光子显微镜原理
双光子荧光显微镜是结合了激光扫描共聚焦显微镜和双光子激发技术的一种新技术。双光子激发的基本原理是：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（多）光子成像优势在于，具有更深的组织穿透深度，利用红外光，能够在层面检测极限达1mm的组织区域；因信号背景比高，而具有更高的对比度；因激发体积小，具有定点激发的特性，具有更少的光毒性；激发波长由紫外、可见光调整为红外激发，能够更加地安全。美国ultimainvestigator双光子显微镜原理
