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。多光子激光扫描显微镜更能解决生物组织中深层物质的层析成像问题, 扩大了应用范围。美国模块化多光子显微镜技术
使用基因编码的荧光探针可以在突触和细胞分辨率下监测体内神经元信号，这是揭示动物神经活动复杂机制的关键。使用双光子显微镜（2PM）可以以亚细胞分辨率对钙离子传感器和谷氨酸传感器成像，从而测量不透明大脑深处的活动；成像膜电压变化能直接反映神经元活动，但神经元活动的速度对于常规的2PM来说太快。目前电压成像主要通过宽场显微镜实现，但它的空间分辨率较差并且于浅层深度。因此要在不透明的大脑中以高空间分辨率对膜电压变化进行成像，需要明显提高2PM的成像速率。美国模块化多光子显微镜技术实现细胞内分子级观测，多光子显微镜开启生命科学新篇章。
多光子激发在紫外成像的优势在可见光脉冲中能得到紫外衍射的显微观察像。即使不使用紫外域光源、光学元件用可见光源、光学元件就能得到紫外光激励的高空间分辨率图像。多光子在生物成像中的优势在生物显微镜观察方面，较早考虑的是不损坏生物本身的活性状态，维持水分、离子浓度、氧和养分的流通。在光观察场合，无论是热还是光子能量方面都必须停留在细胞不受损伤的照射量、光能量内。多光子显微镜则能够满足此，而且还具有很多优点。如三维分辨率、深度侵入、在散射效率、背景光、信噪比、控制等方面，均有以往激光显微镜不具备，或具有无法比拟的超越特性。
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。由于光的波长有限，光子显微镜的分辨率受到限制，无法观察到更小的结构和细胞器。
2020年，JianglaiWu等人提出提高2PM横向扫描速率的装置，称为FACED（free-spaceangular-chirp-enhanceddelay）。圆柱透镜将激光束一维聚焦，会聚角为Δθ。光束进入到一对几乎平行的高反射镜中，其间距为S，偏角为α。经过反射镜多次反射后，激光脉冲被分成多个传播方向不同的子脉冲（N=Δθ/α），脉冲间以2S/c的时间延迟（c，光速）回射。FACED模块输出处的子脉冲序列可以看作从虚拟光源阵列发出的光，这些子脉冲在中继到显微镜物镜后形成了一个空间上分离且时间延迟的焦点阵列。然后将该模块并入具有高速数据采集系统的标准双光子荧光显微镜中。光源是具有1MHz重复频率的920nm的激光器，通过FACED模块可产生80个脉冲焦点，其脉冲时间间隔为2ns。这些焦点是虚拟源的图像，虚拟源越远，物镜处的光束尺寸越大，焦点越小。光束沿y轴比x轴能更好地充满物镜，从而导致x轴的横向分辨率为0.82µm，y轴的横向分辨率为0.35µm。高速扫描，高分辨率，多光子显微镜助力科研进步。美国激光扫描多光子显微镜成像深度
双光子荧光显微镜是结合了激光扫描共聚焦显微镜和双光子激发技术的一种新技术。美国模块化多光子显微镜技术
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。美国模块化多光子显微镜技术
