相比传统电生理方法,基于光遗传学的神经调控技术具有低侵入性、可结合基因工程实现特定神经元选择性激发等优势,近年来在脑科学研究领域得到广泛应用。对基于光遗传学的神经调控方法进行了系统回顾,详细介绍了双光子光遗传技术及其在在体高空间分辨率神经调控方面的研究进展,包括串行螺旋扫描激发、串行扩展光斑扫描激发以及基于广义相衬和计算机生成全息图的并行激发技术等。此外,还讨论了目前双光子光遗传技术在激发精度及激发视场等方面存在的问题及解决方案,并指出将双光子成像与双光子光遗传结合的全光电生理技术可实现神经活动的同步观测与调控,进而极大地推动神经环路解析等神经科学研究。

为了研究碱金属铷蒸气激光器中新的波长输出情况及其可能的应用,在铷原子系统中通过5 2S1/2→6 2D5/2 和5 2S1/2→6 2D3/2的双光子激发和四波混频过程产生358.7 nm、359.1 nm、420.3 nm和421.7 nm四种波长的激光输出,得出了6 2D5/2和6 2D3/2能级的最佳共振位置以及共振线宽,研究了产生的四波混频激光信号强度随体系温度和泵浦光单脉冲能量的变化情况,发现了当体系温度高于185 ℃时6 2D5/2→6 2P1/2的反常跃迁情况并给出了初步解释。实验结果表明,这种通过铷蒸气四波混频产生蓝紫激光的技术可以为海洋资源探测、高密度信息存储及水下激光通信等领域提供一种新的激光光源。

采用光谱和时间分辨的多光子显微技术对8例未染色的人体冠状动脉组织进行研究,根据荧光光谱分离出冠状动脉内膜中的弹性纤维和胶原纤维,并计算粥样硬化病变与非病变冠状动脉内膜中两种纤维信号的比值,从而获得胶原纤维和弹性纤维相对含量的变化。采用荧光寿命评估了冠状动脉粥样硬化组织中弹性纤维生化特性的变化,结果显示,冠状动脉硬化斑块区域具有较短的平均荧光寿命。光谱和时间分辨的多光子显微技术能有效识别冠状动脉粥样硬化斑块,有望成为研究冠状动脉粥样硬化病变的新方法。

以脉冲染料激光器579 nm激光为激发源, 采用双光子激光诱导色散荧光光谱方法, 对SO2分子第一激发带A对称电子态的激发及复杂退激发过程进行了实验研究。 基态SO2分子吸收两个579 nm光子被激发至A1A2态, 通过能量内转换或碰撞弛豫实现在A1A2, B1B1与a3B1态多个振转能级的再布居。 三个电子态基振动能级向基态X1A1不同振动能级跃迁形成了305和425 nm处荧光包络与以347 nm为中心的规则序列。 另外, 还观测到了SO2分子的三光子激发过程X1A1→C1B2, 此激发产生了200~278 nm处的荧光包络和425 nm处的谱线叠加现象。 由实验数据计算出了SO2分子有关电子态的对称振动和弯曲振动模式的基振动角频率及非谐性常数。

用全相对论量子力学计算H2O和HLi的双光子偶极激发。为对比起见,同时用非相对论的对称匹配团族组态相互作用法(SAC-CI)计算其单光子激发。对于无对称中心的H2O和HLi,符合相应群的对称选择原则。双光子跃迁几率一般比单光子跃迁的小3~5个数量级。在计算双光子偶极激发时,应采用同时包含了空间的对称性和时间反转对称性的全相对论。

通过在苄叉环戊酮分子骨架外围引入不同数目羧酸钠基团，合成了4种水溶性的苄叉环戊酮染料，系统研究了它们的光物理和光化学性质。结果表明4种染料在修饰后水溶性都大幅提升。它们在近红外波段都具有较大的双光子吸收截面，而且在可见光照射下均能快速产生单线态氧和超氧负离子两种活性氧物种。单光子光动力实验结果表明4种新染料的暗毒性都较低，但只有Y1展现出强的光动力活性，说明保持适度的脂溶性对光敏药物非常重要。进一步的细胞实验显示，染料Y1对人直肠癌1116细胞产生了明显的双光子损伤效应。这表明Y1在双光子光动力治疗上有很大的应用潜力。

采用共聚焦显微技术中的双光子激发荧光方法获得DHL细胞中5-氨基酮戊酸(5-ALA)代谢原卟啉Ⅸ(PpⅨ)荧光图像。结合Rhodamine123、DioC6(3)和LysoTracker Green三种细胞器荧光探针的使用, 采用双标的标记方法观察DHL细胞中5-ALA代谢PpⅨ在DHL细胞的定位分布, 进而利用Matlab软件对获得的定位的融合荧光图像进行相关系数计算。通过Matlab软件编写程序对获得的定位图像进行边缘检测、提取和分割等处理, 计算获得的线粒体相关系数r=0.564; 内质网相关系数r=0.465; 溶酶体相关系数r=0.366; 可以认为5-ALA代谢PpⅨ在线粒体、内质网、溶酶体三种细胞器区域均有分布, 但PpⅨ在不同细胞器聚集程度存在比较大的差异, 经过3 h的孵育代谢PpⅨ主要积聚于线粒体, 而溶酶体中积聚的最少。研究表明双光子激发荧光可成为定性或定量研究DHL细胞中5-ALA代谢PpⅨ以及PpⅨ在细胞定位的重要方法。

由于生物组织的复杂性和多样性,以及样品制备等因素的影响,实验观察到的生物组织的背向二次谐波(second harmonic generation,SHG)和双光子激发荧光(two-photon excitation fluorescence,TPEF)效应的差异较大.以鼠尾组织作为实验对象,共40个切片,分为横向和纵向、HE染色和未染色四组,采用飞秒激光器作为激发光,用双光子激光扫描共焦显微镜(two-photon laser scanning confocal microscope,TPLSCM)观察和分析了样品在不同的制备方式、激发波长、激发功率、扫描深度等条件下的背向SHG和TPEF的变化曲线,讨论和比较了生物组织的背向SHG和TPEF的影响因素以及二者之间的异同,并尝试对实验现象做出了一定的解释.

介绍了一种新型的三维微细加工技术,描述了自行开发的双光子微细加工实验系统.双光子三维微细加工技术利用材料与飞秒激光束在焦点局域发生的双光子激发,通过逐点扫描,实现微器件的三维成型.由于材料发生双光子激发的几率与激发光强的平方成正比,所以具有极高瞬时光强的飞秒激光器和可以对光束进行强聚焦的显微镜装置成为系统的关键部件,对此进行了详细的说明.最后,给出了部分利用上述加工系统所获得的初步实验结果.