雙光子設(shè)備依托雙光子吸收的非線性光學(xué)效應(yīng)，集合超快激光、精密掃描、信號采集等模塊，可完成深層生物樣本成像與三維微納結(jié)構(gòu)加工兩類核心工作，是光學(xué)研究領(lǐng)域重要的實驗平臺。區(qū)別于常規(guī)單光子光學(xué)設(shè)備，該類設(shè)備多選用近紅外飛秒脈沖激光作為激發(fā)光源，依靠焦點位置很高的光子密度觸發(fā)反應(yīng)，能夠在減少周邊區(qū)域干擾的前提下獲取目標(biāo)信息或者完成材料加工，近些年在多個前沿科研方向得到更多使用。
隨著生命科學(xué)、微納制造領(lǐng)域的研究不斷推進(jìn)，傳統(tǒng)光學(xué)設(shè)備在成像深度、三維加工精度上存在一定局限，雙光子設(shè)備憑借自身的物理特性。它既可以對活體組織開展深度熒光觀測，也可以對光敏材料進(jìn)行納米尺度的三維光刻，覆蓋從基礎(chǔ)科學(xué)實驗到原型器件制備的多個環(huán)節(jié)，相關(guān)技術(shù)迭代也持續(xù)推動設(shè)備性能的優(yōu)化升級。
1.核心工作原理。雙光子吸收屬于非線性光學(xué)現(xiàn)象，熒光分子或者光敏材料分子需要在極短時間內(nèi)同時吸收兩個光子，完成能級躍遷，進(jìn)而產(chǎn)生熒光信號或者觸發(fā)光聚合反應(yīng)。該效應(yīng)發(fā)生概率和光強的平方相關(guān)，只有激光聚焦焦點位置能夠滿足條件，焦點以外區(qū)域幾乎不會出現(xiàn)激發(fā)反應(yīng)，天然形成三維空間選擇性，不需要物理針孔就可以實現(xiàn)層析效果，長波長近紅外光也可以降低樣本散射，提升穿透能力。
2.主要用途。一方面用于熒光成像，對生物組織進(jìn)行分層觀測，記錄細(xì)胞、神經(jīng)元的動態(tài)活動，獲取樣本內(nèi)部三維圖像；另一方面用于微納加工，利用光聚合反應(yīng)，在光敏材料內(nèi)部直接制作三維微結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)復(fù)雜微小器件的制備。
3.主要應(yīng)用領(lǐng)域。生命科學(xué)領(lǐng)域多用于神經(jīng)科學(xué)、腫瘤生物學(xué)、藥理學(xué)相關(guān)實驗，開展活體動物組織深層觀測，輔助解析細(xì)胞行為與病理變化。微納制造領(lǐng)域用于制備微流控芯片、微光學(xué)元件、微型傳感器結(jié)構(gòu)，服務(wù)光子學(xué)、微機電系統(tǒng)研發(fā)。材料科學(xué)方向可以用于新型光敏材料的性能驗證，探究材料和超快激光之間的相互作用規(guī)律。
4.行業(yè)技術(shù)發(fā)展趨勢。成像端，自適應(yīng)光學(xué)、混合掃描模塊逐步得到應(yīng)用，改善組織帶來的像差問題，提升成像深度與掃描速度，微型化設(shè)備持續(xù)迭代，適配活體自由狀態(tài)下的樣本觀測。加工端，并行曝光、光束整形技術(shù)不斷優(yōu)化，改善加工效率，緩解以往逐點直寫速度偏低的問題，探索向更大面積加工拓展的路徑。系統(tǒng)層面，設(shè)備向著集成化方向調(diào)整，配套軟件算法持續(xù)完整，降低系統(tǒng)搭建與操作門檻；同時激光器、探測器核心元器件成本逐步下行，推動雙光子設(shè)備從實驗室向更多應(yīng)用場景延伸。
雙光子設(shè)備依舊存在部分待解決的問題，例如設(shè)備整體成本偏高，部分樣本條件下會出現(xiàn)光漂白、光損傷現(xiàn)象，加工效率仍有提升空間。未來隨著光學(xué)元器件、算法軟件、新型光敏材料的持續(xù)進(jìn)步，雙光子技術(shù)會釋放更多潛力，在生命科學(xué)探索和微納器件研發(fā)中發(fā)揮更大的作用。
更新時間：2026-08-06
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