近年来,基于超短脉冲激光技术的迅速发展,多光子成像技术得到了广泛关注并被成功地应用到生物学、医药科学、纳米材料科学以及相关基础科学等领域。多光子成像系统具有成像深度深、光损伤小、空间分辨率高、荧光收集率高等诸多优点,而激光光源是影响系统成像性能的关键之一。目前应用于多光子成像系统的光源种类较多,其中以超短脉冲光纤光源较为突出,由于它具有结构紧凑、价格低廉、性能优良等优点,对多光子成像系统的前沿应用及产品转化都有着十分重要的意义。同时,多光子成像系统在成像应用过程中也对超短脉冲光纤激光源提出了更高的要求,其中在对生物组织成像过程中,要求研制满足深层生物组织成像的激光光源。本论文主要开展了用于深层生物多光子成像的超短脉冲光纤激光器的研究:掺铒和掺镱飞秒光纤激光的产生,以及1.7μm波段飞秒光纤激光产生的研究,同时进行了细胞组织等生物样品的制备及染色研究。本论文的主要研究内容与创新简述如下:1.基于不同锁模机制,研制了1.5μm全光纤掺铒飞秒激光器。搭建了基于碳纳米管可饱和吸收体的掺铒飞秒光纤激光器,其中心波长1560 nm,光谱宽度5.5 nm,重复频率～33.4 MHz,平均功率10 m W,脉冲宽度550 fs;为了进一步提升激光器的稳定性,搭建了基于非线性放大环形镜的全保偏掺铒飞秒光纤激光器,其中心波长1560 nm,光谱带宽18 nm,重复频率102 MHz,脉冲宽度180 fs,平均功率64 m W,并通过自制全保偏光纤放大器对功率进行了放大,输出功率可达285m W,脉冲宽度～60 fs,该系统采用全保偏光纤搭建,具有较好的稳定性和优良的锁模启动特性,适合作为光源,满足多种应用需求。同时,开展了掺铒飞秒光纤激光在光学频率梳中的实际应用研究。2.基于光纤孤子自频移效应,首次搭建了1.7μm全保偏光纤飞秒激光器。通过理论模拟分析了泵浦激光参数和光纤参数对孤子自频移效应的影响,在此基础上,利用自制的1.5μm全保偏掺铒飞秒光纤激光作为泵浦激光,采用460 m普通保偏光纤为孤子自频移模块,实现了1.7μm全保偏飞秒光纤激光输出,其平均功率35 m W,中心波长1.7μm,脉冲宽度368 fs,光光转换效率66%。本系统采用全光纤设计,结构紧凑,性能稳定可靠。3.采用非线性偏振旋转锁模技术,研制了1.0μm掺镱飞秒光纤激光器,首次观察到了耗散孤子束缚态现象。首先搭建了全正色散掺镱飞秒光纤激光器,其中心波长1047 nm,光谱带宽15 nm,脉冲宽度10.7 ps,经腔外光栅对压缩,脉冲宽度最短可达到200 fs,首次在实验中观察到了稳定的耗散孤子束缚态;其次,为了获得更短的脉冲,在全正色散掺镱飞秒光纤激光器的基础上,通过在腔内加入光栅对进行色散管理,搭建了色散管理型掺镱飞秒激光器,其平均功率80 m W,光谱带宽50 nm,重复频率50MHz,腔外压缩后脉冲宽度56 fs,该1.0μm波段飞秒激光器性能稳定,结构紧凑,可以作为后续研究1.3μm飞秒激光的种子源。4.制备了生物样品,并用荧光显微镜开展了成像研究。首先制备了大鼠脑片,应用尼氏染色法染色脑片神经细胞,并对细胞形态进行成像;其次,手术获得大鼠原代神经元,采用荧光染色剂鬼笔环肽染色神经元,并对神经细胞骨架结构进行成像;另外,完成了成纤维活细胞的培养,并利用荧光成像技术追踪炎症条件下细胞的动态变化,发现了NF-κB在给予TNF-α刺激后有出入细胞核的现象。上述工作为新搭建的深层生物多光子成像系统的成像能力调试和应用做必要的前期工作。