多光子显微成像因其非线性和近红外激发的特点,可实现毫米量级的成像深度以及获得亚微米量级的空间分辨率,已广泛应用于生物学、神经科学、肿瘤学等研究领域。在多光子深层组织成像中,成像深度还有进一步优化的可能。目前制约成像深度的主要原因有:(1)荧光染料的亮度受限;(2)激发光能量受限。从光源方面考虑,已演示的多光子深层脑成像最大成像深度是在1700nm波段激发三光子荧光成像实验中获得的。该实验采用的成像光源通过1550nm激光器泵浦到棒状光子晶体光纤中,利用孤子自频移效应产生1700nm波段高能飞秒脉冲光源。尽管现有的棒状光子晶体光纤可以产生大于100nJ的高能孤子脉冲,但仍有进一步提升的可能。因此,可通过进一步提高1700nm波段光源能量,来提高成像深度。目前,棒状光子晶体光纤光源产生的1700nm波段飞秒脉冲的另一问题在于产生的孤子与1550nm泵浦光具有明显重叠,存在显著的光谱调制,无法通过滤波片滤出干净的孤子。此外,为了实现对脉冲宽度,特别是样品上脉冲宽度的精确测量,需要开发相应的脉宽测量技术。针对以上问题,本论文开展了以下研究工作:(1)基于飞秒泵浦脉冲光源入射到光纤中产生的孤子自频移(SSFS)效应,搭建了一个波长调谐范围大于500nm的大模场面积光纤光源,用于研究染料的激发效率随波长的变化关系;搭建了一个波长调谐范围大于100nm的棒状光子晶体光纤光源,产生的孤子能量大于100nJ,用于多光子深层组织成像。(2)搭建了一个可测量飞秒量级脉冲宽度的干涉自相关仪。使用此装置不仅可以精确测量光纤输出的孤子脉宽,还可以测量经过显微镜系统后激发光在样品上的脉宽。该技术为荧光染料以及荧光蛋白在1700nm波段的荧光激发效率测量奠定了基础。(3)为了进一步提升孤子脉冲能量,开发了偏振合成技术。在棒状光子晶体光纤中,加入一个偏振分束以及合成装置,测得滤波后的孤子单脉冲能量提高了一倍,通过多光子深层组织成像,对比合成后孤子光源和单路孤子光源的成像信号强度,结果显示偏振合成装置可显著提高成像信号。(4)为了解决棒状光纤产生的孤子无法干净滤出的问题,利用压缩装置对光纤激光器输出的泵浦脉冲进行脉冲压缩,使500fs的泵浦脉冲压缩成175fs,通过实验测量以及模拟计算表明,压缩后的脉冲在入射到棒状光子晶体光纤中时,可产生干净的孤子,便于后续滤波及成像实验。上述光源开发、脉宽测量技术开发有望为1700nm波段深层成像、荧光标记物三光子激发谱表征提供光源及测量基础。