基因编码的荧光探针可用于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。双光子显微镜(2PM)可以对钙离子传感器和谷氨酸传感器进行亚细胞分辨率的成像，从而测量不透明脑深部的活动。成像膜的电压变化可以直接反映神经元的活动，但神经元活动的速度对于常规的2PM来说太快了。目前，电压成像主要由宽视场显微镜实现，但其空间分辨率较差，且只能在浅深度成像。因此，为了以高空间分辨率成像不透明脑中膜电压的变化，需要将成像速率提高2PM。面向模块输出端的子脉冲序列可视为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空间分离和时间延迟的聚焦阵列。然后，该模块被集成到一个带有高速数据采集系统的标准双光子荧光显微镜中，如图2所示。光源是重复频率为1MHz的920nm激光器。FACED模块可以产生80个脉冲焦点，脉冲时间间隔为2ns。这些焦点是虚拟源的图像。虚光源越远，物镜处的光束尺寸越大，焦点越小。光束可以沿Y轴比沿X轴更好地填充物镜，从而在X轴上产生0.82m和0.35m的横向分辨率。双光子显微镜还可以对一些具有双光子特性的染料细胞进行特定实验；国外激光双光子显微镜授权商
高光子密度带来的高能量容易损伤细胞，所以双光子显微镜使用高能量锁模脉冲激光器。这种激光器发出的激光具有很高的峰值能量和很低的平均能量，其脉冲达到最大值所持续的周期只有十万亿分之一秒，而其频率可以达到80至100兆赫，这样即能达到双光子激发的高光子密度要求，又能不损伤细胞，使扫描能更好地进行。双光子显微镜在各领域研究中已有许多成功实例生物领域：贝尔实验室的Svoboda等人研究了大脑皮层神经元细胞内钙离子动力学情形。利用双光子显微镜观察到的现象证明了钙离子的增加依赖于肌体触发的钠离子作用电势。信息领域：美国科学家Rentzepis提出了一种在现有二维光盘的基础上将数据储存扩展到三维空间。由于双光子激发具有作用精细体积小的特点，避免了层与层之间的互相干扰，极大地提高了数据储存密度。国外激光双光子显微镜授权商双光子显微镜除了可以进行厚的组织样品拍摄以外呢，可以在小鼠的的任何部位进行成像。
通过并行化不同激光波长的激光扫描，研究人员增加了在相同时间内可以成像的体积，同时保持了高的时间和空间分辨率。研究人员通过引入两种不同波长的钙信号荧光探针，将神经元群体的活动标记为两种不同的颜色，同时激发两种不同波长的探针，从而实现了两种颜色的并行数据记录。为了实现三维空间成像，研究人员还在两个激光束上配置了快速变焦系统，即一个电透镜和一个空间光调制器。因此，可以以10Hz的速度同时记录10个500微米和500微米的平面，覆盖600微米的深度，覆盖大脑皮层第二层到第五层的结构，体积内可以记录2000多个神经元。
实验从理论和实验上评估了多焦点v2PE显微镜的空间分辨率，并与单光子荧光显微镜进行了对比，实验中v2PE的激发波长为521nm，使用放大倍率为100倍的物镜，尺寸为0.6AU，对直径100nm的荧光颗粒进行了测试性成像，共获得40幅不同采样深度的图像合成为三维图像。图像在横向和纵向的半高全宽分别是177nm和297nm，这些值接近显微镜的理论分辨率。后续还利用软件模拟从理论上研究了多焦点v2PE显微技术的空间分辨率，模拟计算显示v2PE点扩散函数(PSF)的横向半高宽与单光子激发荧光(1PE)相似，轴向的半高宽较1PE减少，可以提高空间分辨率。双光子显微镜使用的是高能量锁模脉冲器。
随着技术的发展，双光子显微镜的性能得到不断地优化，结合它的特点，大致可以分成深和活两个方面的提升。要想让激发激光进入更深的层面，大致可从两个方面入手，装置优化与标本改造。关于装置优化，我们可以把激光束变得更细，使能量更加集中，就能让激光穿透更深。关于标本，其中影响光传播的主要是物质吸收和散射，解决这个问题，我们需要对样本进行透明化处理。一种方法是运用某种物质将标本浸泡，使其中的物质（主要是脂质）被破坏或溶解。另一种方法是运用电泳将脂质电解，进而让标本“透明度”提高。双光子显微镜的应用中，该如何选择以及更好的使用PMT。国内双光子显微镜光毒性
双光子显微镜比单光子共聚焦显微镜较大的不同在于无须使用孔限制光学散射。国外激光双光子显微镜授权商
双光子显微镜的优势：在深度组织中以较长时间对活细胞成像，双光子显微镜是当前之选。双光子和共聚焦显微镜都是通过激光激发样品中的荧光标记，使用探测器测量被激发的荧光。但是，共聚焦一般使用单模光纤耦合激光器，通过单光子激发荧光，而双光子使用飞秒激光器，通过几乎同时吸收两个长波光子激发荧光。下面是两种技术的对比图。双光子激发荧光的主要优势：双光子比共聚焦使用的更长的波长，所以对组织的损伤更小且穿透更深。共聚焦的成像深度一般为100微米，双光子则能达到250到500微米，甚至超过1毫米。另外，同时吸收两个光子意味只有度聚焦点处能被激发，所以不会损伤焦平面之外的组织，并且生成更清晰的图像。国外激光双光子显微镜授权商
