双光子贝塞尔光片显微成像是一种基于双光子效应、贝塞尔光束扫描照明的大视场高分辨率显微成像方法。该方法利用近红外波段的飞秒脉冲激光对生物体内的荧光物质进行双光子激发,具有较高的空间分辨率和照明深度,利用贝塞尔光片大视场照明,具有较高的时间分辨率,因此在活体生物长时间高速大视场成像方面具有得天独厚的优势。但是由于生物组织是折射率不均匀的光学介质,照明光片在传播到生物组织深处的过程中受到生物像差的影响,荧光光片形貌发生弥散、强度下降、厚度显著增加,照明视场无法达到理想大小。为消除生物像差对双光子贝塞尔光片的影响,本论文将直接波前探测自适应光学技术应用于双光子贝塞尔光片显微镜照明光路中,开展以下研究工作:1.理论分析了利用相位调制法的贝塞尔光束产生过程,推导了双光子贝塞尔光束长度和厚度的计算公式。基于菲涅耳衍射原理对相位调制法产生贝塞尔光束的过程进行了模拟仿真,探究了入射光束口径与空间光调制器口径的比例关系和调制参数与空间光调制器像素大小的比例关系对贝塞尔光束长度和厚度调制效果的影响,对双光子贝塞尔光片显微镜中空间光调制器的选型提供了有力依据。2.针对双光子贝塞尔光片显微镜中照明光路像差对双光子贝塞尔光片质量的影响缺乏定量描述的问题,基于菲涅耳衍射原理和傅里叶光学分析方法,模拟仿真了双光子高斯光束和双光子贝塞尔光束受到单项Zernike像差以及生物组织随机像差影响后的强度分布。对比发现,低角向级次（m≤4）的Zernike像差对双光子高斯光束的厚度影响更大,而双光子贝塞尔光束的厚度对高角向级次（n-|m|≤4）的Zernike像差更加敏感。此外,当像差大小超过0.3λ时,需要校正至少50项Zernike像差,对双光子贝塞尔光片显微镜中自适应光学系统的设计和评价具有指导意义。3.采用轴棱锥相位和离焦相位复合的贝塞尔光束长度调控方法,实现了光束长度与等晕区的动态匹配,与调制参数r0的传统方法相比,在有效调制范围内,可将光束厚度的变化降低40%,保证了系统稳定的层切能力。同时基于由压电驱动器和扫描振镜组成的二维扫描结构,设计并搭建了轴向分辨率为600nm、照明视场为300μm×300μm的双光子贝塞尔光片显微镜系统,并在Rhodamine 6G乙醇溶液中完成了功能性实验验证,成功验证了扫描拼接实现双光子贝塞尔光片显微镜高分辨率大视场照明光片的功能有效性。4.针对双光子贝塞尔光片显微镜照明光路和传统自适应光学系统之间器件共轭关系的矛盾问题,提出了基于菲涅耳衍射原理的像差校正算法,可以利用一个空间光调制器同时实现贝塞尔光束的产生和波前像差的校正。同时针对哈特曼波前探测器无法有效探测线状双光子贝塞尔光束波前像差的难点,提出了利用空间光调制器对光束的相位调制作用,使光束在样品中聚焦激发形成双光子高斯荧光焦点作为荧光导星,从而进行哈特曼直接波前探测的方法。该方法有别于常规方法,不需移动也不用引入任何其他光学元件,提高了光学系统的紧凑性。通过对上述直接波前探测与校正方法的数值模拟和实验验证,可以使受到像差影响的双光子贝塞尔光束的强度和厚度恢复到接近无像差影响水平。5.结合以上研究,设计并搭建了适用于贝塞尔光片显微镜的自适应光学系统,根据生物像差随时间缓慢变化的特性对系统控制时序的要求,提出先逐等晕区探测像差,全域保存各等晕区像差后,实现一次性扫描校正成像的方案,利用模拟生物样品的高浓度琼脂固定荧光微珠样品,完成了大视场的自适应校正成像,校正后的成像分辨率和信噪比得到显著提升,验证了系统功能有效性。本论文属于自适应光学在双光子贝塞尔光片显微镜中应用的开创性工作,所提出的适用于双光子贝塞尔光片显微镜的直接波前探测与校正方法,为生物组织的长时间大视场高分辨率成像提供了可靠的技术手段。