双光子显微成像技术由于其成像深度大,对生物组织光损伤小等特点,成为了神经科学领域的重要研究工具；最近发展起来的二维随机扫描双光子显微成像技术,能够实现快速、跳跃式的扫描,展示了研究神经功能活动的优势；并且得益于飞秒激光经过角色散器件后的传输理论的完善和发展,高效、结构紧凑的双光子随机扫描显微成像系统进一步走向实用和成熟。实际的神经元网络都是分布在三维空间的,与神经活动相关联的快速荧光信号也是分布在三维空间的,所以在二维随机扫描技术比较成熟的基础上,发展三维随机扫描技术是一个必然的趋势,也是一个重大挑战。由于二维随机扫描已经比较成熟,为了发展三维随机扫描,关键问题是：光轴方向的快速随机扫描,即：能够使聚焦点快速的、跳跃式的在光轴方向移动。传统的轴向扫描采用机械移动样品或者物镜的方式,受限于机械惯性,速度慢。通过改变光束发散角的轴向扫描方式是解决快速轴向随机扫描的一个可能途径,但是现有的器件运用到显微成像系统中时,会遇到轴向扫描范围小,色散不能完全补偿导致脉冲宽度展宽等问题。为了发展出高效、实用的快速轴向随机扫描装置,需要在色散补偿方法和扫描机制上展开研究。本文围绕新的色散补偿方案和新型快速轴向随机扫描方法展开研究,得到主要创新结论如下：(1)揭示了飞秒激光光束尺寸影响角色散器件色散补偿能力的规律。发现：扩束的飞秒激光相对于不扩束的,可以使角色散器件(以棱镜为例)能够提供的最大负色散量提升一个量级；用角色散器件(棱镜或者声光偏转器)补偿系统中的正色散时,飞秒激光2x和4x扩束相对于不扩束的情况,补偿得到的最小脉冲宽度减小了50%,补偿距离(角色散器件之间的距离)缩短了70 cm。(2)发展了结合声光偏转器快速调节色散和时间聚焦技术的快速轴向随机扫描方法。揭示了时间焦点移动位置与声光偏转器声波频率的关系。当声光偏转器声波频率从80 MHz到120 MHz时,时间焦点移动的距离为9μm。时间焦点位置变化的速度在10μs量级,只决定于声光偏转器的渡越时间。(3)研究了基于KTN电光透镜的轴向随机扫描显微成像方法,发现轴向扫描范围与KTN透镜的外加电压成正比关系。