非线性光学成像可以实现对样品的无标记和无接触的成像,同时又具有空间分辨率高、层析成像和穿透深度大等特点,凭借优异的特性使其在生物医学、生命科学、材料科学等领域研究中具有很广阔的应用前景。本文主要是将其应用在蜗牛骨组织、多孔碳材料和白百合花粉粒的成像研究上,其一是通过对蜗牛的非线性显微成像观察到在骨组织发生过程中胶原蛋白和矿物质成分的生物演化关系;其二是揭示其在多孔碳材料结构表征上的能力;其三是揭示其在花粉粒可视化研究上的能力。本文对蜗牛进行了相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）、二次谐波（SHG）和双光子激发荧光（TPEF）成像。观察了与矿物质成分相关的离子(碳酸根离子(CO₃^2-)和磷酸根离子(PO₄^3-))和胶原蛋白的空间分布关系。在蜗牛骨组织的成长过程中,观察到与矿物质成分相关的离子首先分散在液体环境中,并在两天后观察到胶原蛋白,随后离子逐渐向胶原蛋白靠近,最终形成矿物质。随着骨组织逐渐成熟,胶原蛋白逐渐褪去。实验结果表明,通过CARS和SHG可以很好地揭示蜗牛骨组织中胶原和矿物质成分的生物演化关系,同时可以清晰地观察到逐天的蜗牛在结构和形态的生物演化过程。对多孔碳材料进行了CARS、SHG和TPEF成像。通过Z扫描技术获得了二维CARS成像图片,将二维CARS图片进行重构得到了三维CARS成像图片,另外展现了三维旋转的CARS成像图片。二维和旋转的三维CARS成像图片可以清楚地表征多孔碳材料的表面和内部的结构及特性,SHG的产生证明了多孔碳材料的反对称性破坏（非中心对称材料）,TPEF成像图片显示出多孔碳材料的自发荧光信号,为光子动量转移到电子系统提供了证据。实验结果表明,非线性光学显微镜是研究多孔碳材料的一种很好的光学分析方法,可以潜在地用于对微纳米尺度材料的光学表征。对白百合花粉粒进行CARS和TPEF成像,获得了二维和三维的成像图片,可视化了百合花粉中脂质、荧光物质和类胡萝卜素的分布形态和空间位置关系,不同深度处的二维成像图片展现出脂质位于荧光物质和类胡萝卜素内侧且与其部分相交,类胡萝卜素被包含在荧光物质内且位于花粉壁表层一侧。三维及其旋转图像可以观察到花粉壁的表面和内部纹路的网状形态。实验结果表明,非线性显微镜可以用于对花粉可视化。总之,我们的研究表明,非线性光学成像为骨组织中矿物质成分和胶原蛋白的关系提供了研究依据、表征了多孔碳材料的结构和性能、可视化花粉的形态结构,随着科技的发展,非线性光学成像有可能成为骨骼修复研究中的重要手段。