双光子显微镜工作原理是将超快的红外激光脉冲传输到样品中，在样品中与组织或荧光标记相互作用，这些组织或荧光标记发出用于创建图像的信号。双光子显微镜被多用于生物学研究，因为它能够产生高分辨率的3-D图像，深度达1毫米。然而，这些优点带来了有限的成像速度，因为微光条件需要逐点图像采集和重建的点检测器。为了加快成像速度，科学家之前开发了一种多焦点激光照明方法，该方法使用数字微镜设备(DMD)，这是一种通常用于投影仪的低成本光扫描仪。此前人们认为这些DMD不能与超快激光一起工作。然而现在解决了这个问题，这使得DMD在超快激光应用中得以应用，这些应用包括光束整形、脉冲整形、快速扫描和双光子成像。DMD在样品内随机选择的位置上产生5到30点聚焦激光。光子显微成像技术不是什么新技术，早在20多年前就有了，目前已经在生命科学和材料科学中广泛应用。美国飞秒激光多光子显微镜单分子成像定位
在多光子显微镜（也称为非线性或双光子显微镜）中，以两倍正常激发波长照射样品。更长的波长是有利的，因为它们可以更深地穿透样品进行3D成像，并且因为它们不会损坏样品，从而延长样品寿命。为了实现多光子激发，照明光束在空间上聚焦（使用光学器件），同时使用高能短脉冲激发光束以提高两个（或更多）光子同时到达同一位置（即荧光团分子）的概率。多光子显微技术的例子包括二次谐波产生(SHG)、三次谐波产生(THG)、相干反斯托克斯拉曼光谱(CARS)和受激发射耗尽(STED)显微技术。由于这些技术中的每一种都使用脉冲激光器，因此选择能够比较大限度地减少脉冲色散的光学组件很重要，并且激光反射二向色镜应具有低GDD特性。美国共聚焦多光子显微镜暗场成像带宽足以覆盖钛蓝宝石激光器的可调谐范围和用于多光子显微镜的许多其它激光器的典型中心频率。
Ca2+是重要的第二信使，对于调节细胞的生理反应具有极其重要的作用，开发和利用双光子荧光显微成像技术对Ca2+荧光信号进行观测，可以从某些方面对有机体或细胞的变化机制进行分析，具有重要的意义。利用双光子荧光显微成像技术可以观察细胞内用荧光探针标记的Ca2*的时间和空间的荧光图像的变化，还可以观察细胞某一层面或局部的（Ca2+）荧光图像和变化。通过对单细胞的研究发现，Ca2+不仅在细胞局部区域间的分布是不均匀的，而且细胞内各局部区域的不同深度或层次间也存在不同程度的Ca2+梯差即所谓的空间Ca2梯差。
有许多方法可以实现快速光栅扫描，例如使用振镜进行快速2D扫描，以及将振镜与可调电动透镜相结合进行快速3D扫描。而可调电动式镜头由于机械惯性的限制，无法在轴向快速切换焦点，影响成像速度。现在它可以被空间光调制器(SLM)取代。远程对焦也是实现3D成像的一种手段，如图2所示。LSU模块中，扫描振镜水平扫描，ASU模块包括物镜L1和反射镜M，通过调整M的位置实现轴向扫描该技术不仅可以校正主物镜L2引入的光学像差，还可以进行快速轴向扫描。为了获得更多的神经元成像，可以通过调整显微镜的物镜设计来放大FOV。然而，大NA和大FOV的物镜通常很重，不能快速移动以进行快速轴向扫描，因此大FOV系统依赖于远程聚焦、SLM和可调电动透镜。多光子共聚焦扫描显微镜比双光子共聚焦扫描显微镜具有更高的空间分辨率。
多光子显微镜对成像深度的改善利用红光或红外光激发，光散射小（小粒子的散射与波长的四次方的成反比）。不需要***，能更多收集来自成像截面的散射光子。***不能区分由离焦区域或焦点区发射出的散射光子，多光子在深层成像信噪比好。单光子激发所用的紫外或可见光在光束到达焦平面之前易被样品吸收而衰减，不易对深层激发。多光子荧光成像的特点。深度成像∶与共聚焦相比能更好地对厚散射物质成像。信噪比∶多光子吸收采用的波长是单光子吸收的2倍以上，所以显微试样中的瑞利散射更小，荧光测定的信噪比更高。观察活细胞∶离子测量（i.e.Ca2+），GFP，发育生物学等—减少了光毒性和光漂白，能对细胞长时间观察。显微镜产品正拉动市场需求，多光子显微镜市场发展潜力巨大。高速高分辨率多光子显微镜研究
从双光子到三光子甚至四光子，这种非线性成像技术通常也被统称为多光子显微镜。美国飞秒激光多光子显微镜单分子成像定位
随着现代分子生物学技术的快速发展和科学技术的进步，特别是后基因组时代的到来，人们已经能够根据需要建立各种细胞模型，这为在体内研究基因表达、分子间相互作用、细胞增殖、细胞信号转导、诱导分化、细胞凋亡和新生血管生成提供了良好的生物学条件。然而，尽管利用现有的分子生物学方法对基因表达与蛋白质的相互作用进行了深入细致的研究，但仍然无法实现对蛋白质和基因活性的实时动态监测。在细胞的生理过程中，基因尤其是蛋白质的表达、修饰和相互作用往往是可逆的、动态变化的。目前，分子生物学方法无法捕捉到蛋白质和基因的这些变化，但获得这些信息对于研究基因表达与蛋白质的相互作用非常重要。因此，有必要发展一种动态、实时、连续监测蛋白质和基因活性的方法。美国飞秒激光多光子显微镜单分子成像定位
