双光子显微镜在轨验证实验实现了多个第一，这还只是开始！

神舟十五号航天员乘组日前使用由我国自主研制的空间站双光子显微镜开展在轨验证实验任务并取得成功。一段影像还显示了双光子显微镜对皮肤表层的成像过程。

我们以前看到过关于激光雷达的报道，它们利用的都是单光子移相技术，微波光子技术在实现大带宽的任意波形信号上表现很优异。光子成像本身就是量子行为，所不同的是，双光子显微镜利用的是双光子，这是用于大视场双光子成像的双独立增强扫描引擎。双光子显微镜不仅能产生超快、超强的光脉冲，而且单一光束被分成两个完全独立的扫描引擎臂，使显微镜能够同时扫描两个区域，每个区域配置不同的成像参数。

它们之间的相同点是，它们都需要驱动光子成像系统的大功率激光器，采用的都是飞秒激光器。每台激光器的亮度超过阳光的10亿倍，每秒8000万次脉冲，持续时间为0.0001纳秒。所以这东西很贵，国外每台成本约为25万美元，而且重量很重很大，功率也很大。运往太空站是个很大的麻烦，送上去了，估计也得拿一个舱来安置，而且即便是运上去了，安装好了，也不一定用得起——不知道太空站的太阳能帆板能否保证它的能量供用。但我们的太空站双光子显微镜很好的解决了这个问题。

2017年，我们的北京大学科研团队就研制了一种微型化的双光子显微镜，探头仅重2.2克的，2019年多团队合作攻克多项显微镜小型化技术难题，并于2022年9月研制成功空间站双光子显微镜。从而这次实现了双光子显微镜轨世界首次实现在轨正常运行；同时也是国内首次实现飞秒激光器在轨正常运行。为什么飞秒激光器在轨正常运行不是世界首次呢？

2018年9月美国发射ICESat-2卫星，这是人类飞秒激光器在太空首次使用。它使用6个绿色激光束扫描地球表面，测量冰川和漂浮的海冰。通过计算从地球表面反弹下来的单个光子，可以精确看到了南极洲和格陵兰岛冰层的变化，海洋侵蚀冰层的影响和格陵兰岛表面的融化。也就是说，ICESat-2卫星其实就是一颗单光子雷达卫星。ICESat-2的使用让科学家们找到海洋科学、水文学、冰冻圈、生物圈很多细微的变法，从而找到更好使用数据的方法。

我国飞秒激光器国内首次实现在轨正常运行，这个意义非同寻常，一方面是我们在在确定量子通信领域领先地位面后在类量子雷达方面的追赶步伐，另一方面，我们就是这次采用的是轻量化的双方光子技术。从技术路径上是双独立增强扫描来看，技术路径不太一样，而且似乎更先进一点。这也许这就是开始之一吧！

“开始”之二会是什么？这是目前已知的世界首次在航天飞行过程中使用双光子显微镜获取航天员皮肤表皮及真皮浅层的三维图像，这也许只是开始之二：

我们先来看看空间站双光子显微镜这次实验的结果：

一、分辨率清晰呈现出航天员皮肤结构及细胞的三维分布。

二、具备对皮肤表层进行结构、组分等无创显微成像的能力。成像结果显示，皮肤的角质层、颗粒层、棘层、基底细胞层、真皮浅层等三维结构清晰可辨。

这是什么意思呢？也就是说，太空站双光子显微镜能够看到超微结构，又称亚显微结构。它能够看清自发荧光的细胞代谢产物的量化观测，寻找出航天员在太空机体代谢功能的变化。这意味着，双光子显微镜还能提供了前所未有的脑成像能力。

双光子显微镜脑成像能力前景很惊人。它能够提供大脑多个区域的亚细胞分辨率。看到单个神经元的分辨率，同时捕捉多个大脑区域的视野，以及捕捉行为中神经元活动的变化的成像速度。这样，脑机接口根本不需要像电影中开孔打洞，完全可以通过双光子显微镜脑成像能力去实现。2.2克的探头也极具应用前景，这种新设备可扩充为多种定制设计和定制制造的元件，包括光学继电器、扫描透镜、管状透镜和物镜。能够在广泛分散的大脑区域提供神经活动的高速成像。

结语：

双光子显微镜在轨验证实验实现了多少个国际国内第一，目前我们也许只能数出这么多，这还只是开始，今后，随着双光子显微镜的在轨实验的不断实施，它的每一次行动都可能是人类前进步阀，它会创造一个又一个的世界国内的第一。