双光子激光扫描荧光显微镜一直是生物医学研究强大的3D成像工具。尽管对空间分辨率的追求旨在打破衍射极限，但荧光时间信息的获取仍可以在时域中提供成像目标的精细动态细节。近年来，双光子激光扫描荧光显微镜与荧光寿命显微镜的融合引发了时空成像发展的新热潮。从物理本质上说，经过透镜聚焦后，飞秒激光束在发光介质中会形成双光子荧光(TPF)椭球体，这些椭球体是基于荧光寿命扫描技术的基本像素。无论TPF椭球体的尺寸多么小，TPF椭球体本身都会发生时空演化，这是由发光介质固有的物理特性决定的。为了准确的重建和解释复杂系统的3D时空图像，需要用所选的发光介质校准TPF椭球的内在时空演化。但是，很少有报道有关方法可以完成这一任务。
图1时空切片技术的原理图。通过在轴向的每个空间切片位置记录超薄CsPbBr3纳米片的时间分辨 TPF 光谱，可对TPF 椭球体进行时空重建。
近日，课题组博士生朱益志发表了题为Spatiotemporal sectioning of two-photon fluorescence ellipsoid with a CsPbBr3 nanosheet的论文(Nano Research, DOI: 10.1007/s12274-021-3689-0. 1区TOP, IF: 8.897)。为了揭示TPF椭球沿轴向的时空演化性质，文中提出了一种在透明玻璃基片上基于钙钛矿纳米薄片双光子荧光椭球的时空切片技术。该技术是利用CsPbBr3超薄发光纳米片作为荧光探针，通过沿飞秒激光焦平面轴向空间扫描并同时使用条纹相机记录时间分辨的TPF光谱而实现的。
图2当Z = 0处的800 nm激发光的能量为3.42 mJ / cm2时，TPF椭球的时空演化行为。
研究结果表明，TPF椭球的轴向长度随时间呈非线性增加，拐点约为600皮秒。通过进一步的定量讨论，阐明了钙钛矿单晶固有的载流子复合动力学、光子再循环、莫特跃迁等过程共同调制了TPF椭球沿轴向时空演化的行为。该技术适用于广泛的发光材料和结构，将激发对新型TPF发光材料以及时空成像功能的大量研究。此外，本文发展的双光子吸收系数的测量方法与手段也是普适的，可直接应用于众多发光材料及相关体系。