非线性光学显微成像是基于光学非线性效应产生的信号对比机制对微观物体进行成像的显微方法。该方法具有化学组分选择性,能对特定的分子、化学键进行高衬度成像。非线性过程对激发光强的非线性依赖关系,使得非线性光学显微具有较高的空间分辨能力和成像深度,在生物医学研究中发挥着重要作用。本论文主要研究基于特殊照明和相位成像的非线性光学显微方法,以期望进一步提高非线性光学显微的成像深度并抑制背景噪声,主要完成了以下研究工作:1)理论研究了基于贝塞尔光束的双光子荧光显微成像方法。将角谱理论和散射介质分层传输模型相结合,提出了一种双光子荧光显微过程的模拟方法。利用该方法研究贝塞尔光束的产生、在散射介质中传输及其激发双光子荧光和荧光收集的整个过程。模拟结果表明,基于贝塞尔光束的双光子荧光显微技术具有较高的成像深度和成像速度。2)实验上采用空间光调制器产生了参数可调节的贝塞尔光束,实现了对贝塞尔光束中心光斑大小及其焦深长度等实验参数的实时调节。同时,采用散射介质分层传输模型和角谱理论相结合的方法,研究了实验参数对贝塞尔光束传输过程中中心光斑自愈合快慢的影响,得出了一系列对实验具有指导意义的结果。3)提出一种基于贝塞尔光束用作泵浦光(Pump beam)和高斯光束用作斯托克斯光(Stokes beam)的相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)显微方法。通过相位成像方法获得远场CARS的复振幅分布,根据逆矩阵法可以获取样品的三维结构分布。基于该特殊的照明方式,CARS显微具有较长的焦深和轴向分辨能力。4)研究了两种单光束相位成像方法。一种是基于频谱调制的相衬成像方法,该方法首次实现了相衬图样的衬度可调,而且还可以对物体的相位信息进行定量测量。另一种是基于结构照明的单光束相位成像方法,该方法将结构照明和单光束相位成像技术相结合,实现对相位物体(如透明生物样品)的分辨率增强成像。5)提出一种基于相位成像的宽场CARS显微去噪声方法。通过记录不同轴向位置处CARS信号的强度分布,采用光传输方程和基于迭代的相位成像方法获取宽场CARS成像的相位分布。利用共振CARS和非共振背景信号在相位上的差异,实现了对背景噪声的抑制。由于该方法可在保持原有CARS显微装置的基础上有效抑制背景噪声,因此具有良好的应用前景。