阿尔茨海默症、抑郁症及癫痫等神经系统疾病具有发病率高,致病机理错综复杂等特点,已经成为世界难题。科研人员发现大脑皮层中神经元的活动,尤其是树突棘与学习记忆、认知等活动密切相关。因此,对大脑皮层中神经元形态与活动的研究,将有助于神经系统疾病的解决。在众多非线性成像技术中,双光子激发荧光显微术(Two-photon excitation fluorescence microscopy,TPEF),以其光毒性低,离焦图像干扰小,深度成像的优势,已经成为神经科学领域的关键成像技术。然而,受组织的高散射与吸收影响,导致成像深度通常被限制在1～2mm范围内。增强成像深度的一种有效手段是双光子荧光内窥成像技术。该技术综合了双光子荧光成像与内窥成像的优势,已经成为人们的研究热点。然而,目前基于光纤的内窥成像技术面临着组织损伤、设计复杂、耗时、弯曲敏感等一系列问题。近年来,超透镜以其灵活的波前控制、重量轻、超薄等独特的优势,为最小侵入和深部组织成像开辟了一条新的途径,特别是在荧光显微内窥成像领域。本论文的研究内容可以分为:双光子荧光超透镜的设计与双光子荧光成像,受激发射损耗显微术(Stimulated emission depletion microscopy,STED)中矢量光源优化两部分。首先,基于组织中激发波长与荧光发射波长共焦的必要性,利用时域有限差分(Finite difference time domain,FDTD)方法,采用空间复用与包裹复合纳米柱结构相结合的方案设计了适用于小鼠脑皮层的,激发波长(915nm)与荧光发射波长(510nm)双波长共焦超透镜。之后,建立了一个3D小鼠脑皮质模型用于透镜在组织中共焦的验证。在径向中空贝塞尔高斯光束(Hollow Bessel Gaussian beam,HBG)的照射下,设计的透镜能够在每层皮质模型中实现稳定的聚焦(f～25μm)。最后,基于双光子激发与荧光收集理论,对聚焦光斑进行了荧光激发与收集,得到了横向分辨率高达0.42～0.56μm的荧光光斑。由于TPEF无法突破衍射极限,本文进一步设计了一个激发波长(1050nm)与损耗波长(600nm)双波长共焦超透镜,用于双光子-STED成像。与此同时,利用旋向涡旋高斯光(Gaussian beam,GB)与三区旋向HBG光源对所设计的双光子-STED透镜进行了二维STED超分辨成像模拟。此外,光强分布均匀且轴向与横向均超压缩的球形三维有效光斑,在医学诊断,超分辨成像中拥有重要的用途。损耗光斑的形状与大小对于超分辨有效光斑的获取至关重要。理想的损耗光斑是光强分布均匀的,各个方向均极限压缩的,三维球壳形聚焦光斑。为此,本研究设计了一个4π型STED成像光路,用于压缩损耗光斑横向(r)与轴向(z)尺寸大小,并详细讨论了不同参数对损耗光斑的影响。最终,在我们的设计下,得到了均匀、横向与轴向均极限压缩的、超衍射极限的球形三维STED有效光斑。本文中的研究结果证明了,双光子荧光成像中透镜的设计方案是可行的;透镜的高分辨率成像结果,预示着所设计的透镜在全光纤式的荧光微内窥成像系统有很大的应用潜力。与此同时,利用优化的激发光源与损耗光源能够得到光强分布均匀的,超分辨的球形有效光斑,为双光子-STED成像中的光源选择奠定了理论基础。随着透镜加工工艺的成熟,相信所设计的透镜在不远的将来,可以在基于光纤的双光子荧光和双光子-STED荧光微内窥技术中发挥重要的应用价值。