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。4tune光谱检测器，实现多光子显微镜的光谱型检测。美国多光子显微镜应用
多光子激发扫描显微成像系统的不足。只能对荧光成像。如果样品包括能够吸收激发光的色团，如色素，样品可能受到热损伤。分辨率略有降低，虽然可以通过同时利用共焦的小孔得到改善，但是信号会有损耗。受昂贵的超快激光器限制，多光子扫描显微镜的成本较高。多光子激发显微镜应用举例。动物和脑片神经细胞结构与功能、动物脑皮层的成像、胚胎发育过程的长时间动态观测、多光子激发光解笼、细胞内微区钙动力学、多光子激发自发荧光、其它应用。美国模块化多光子显微镜方案多光子显微镜能提供多种对比度机制。
Ca2+是一种重要的第二信使，在调节细胞生理反应中起着重要作用。发展和利用双光子荧光显微成像技术观测Ca2+荧光信号，可以从某些方面分析生物体或细胞的变化机制，具有重要意义。利用双光子荧光显微成像技术，我们可以观察到细胞内荧光探针标记的Ca2*的时间和空间荧光图像的变化，也可以观察到一定水平或部分细胞内(Ca2+)的荧光图像和变化。通过对单个细胞的研究发现，Ca2+的分布不仅在细胞的局部区域之间是不均匀的，而且在细胞内不同深度或层次的局部区域之间也存在不同程度的Ca2+梯度，称为空间Ca2+梯度。
针对双光子荧光显微镜的特点，从理论上分析双光子成像特点，并搭建一套时间、空间分辨率高，能实时、动态、多参数测量的双光子荧光显微镜系统。具体系统应实现∶（1）能对不同染料的双光子荧光进行探测;（2）用特定染料对样品标记以后，能实现双光子荧光的三维成像;（3）通过实验的研究，改进双光子荧光显微成像系统;（4）在保证成像质量的前提下，简化整个系统，使得实验操作方便、安全。单光子激发荧光的过程，就是荧光分子吸收一个光子，从基态跃迁到激发态，跃迁以后，能量较大的激发态分子，通过内转换把部分能量转移给周围的分子，自己回到比较低电子激发态的比较低振动能级。处于比较低电子激发态的比较低振动能级像在生物医学光学成像研究中显示了较大的优势。而在显微成像中，双光子荧光显微镜凭其独有的优点，成为研究细胞结构和功能检测的重要工具。多光子显微镜在基础科学和临床诊断领域的应用范围正在持续增长。
当细胞受到外界刺激时，随着刺激时间的增加，即使继续刺激，Ca2+荧光信号也不会继续增强，反而会减弱，直至恢复到无刺激时的水平。对于细胞受精过程中Ca2+荧光信号的变化，发现粘附过程中Ca2+荧光信号没有变化，但当配子融合时，Ca2+荧光信号强度出现一个不稳定的峰值，持续数分钟。这些现象对于研究受精发育的早期信号以及Ca2+在卵子和受精卵发育中的作用具有重要意义。在其他生理过程中，如细胞分裂和胞吐，Ca2+荧光信号的强度也会发生很大的变化。多光子显微镜的分辨率比传统的单光子共聚焦要低的多。全自动多光子显微镜层析成像
OCT可以用于损伤修复监测。Yeh等用OCT、多光子显微镜。美国多光子显微镜应用
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。美国多光子显微镜应用
