多光子显微镜因拥有较深的成像深度，和较高的对比度在生物成像中有着重要的意义，但是它通常需要较高的功率。结合时间上展开的超短脉冲可以实现超快的扫描速度和较深的成像深度，但是其本身所利用的近红外波段的光会导致分辨率较低。清华大学陈宏伟教授和北京大学席鹏研究员合作研究，结合了结构光成像和上转化粒子，开发了一种基于多光子上转化材料和时间编码结构光显微镜的高速超分辨成像系统(MUTE-SIM)。它可以实现50MHz的超高的扫描速度，并突破了衍射极限，实现了超分辨成像。相较于普通的荧光显微镜，该显微镜提升了，并且只需要较低的激发功率。这种超快、低功率、多光子的超分辨技术，在分辨率高的生物深层组织成像上有着长远的应用前景。 多光子显微镜可以更好的了解神经信号之间复杂动态的编码过程。多光子显微镜单分子成像定位
现代分子生物学技术的迅速发展和科技的进步，特别是随着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，为在体研究基因表达规律、分子间的相互作用、细胞的增殖、细胞信号转导、诱导分化、细胞凋亡以及新的血管生成等提供了良好的生物学条件。然而，尽管人们利用现有的分子生物学方法，已经对基因表达和蛋白质之间的相互作用进行了深入、细致的研究，但仍然不能实现对蛋白质和基因活动的实时、动态监测。在细胞的生理过程中，基因、尤其是蛋白质的表达、修饰和相万作用往往发生可逆的、动态的变化。目前的分子生物学方法还不能捕获到蛋白质和基因的这些变化，但获取这些信息对与研究基因的表达和蛋白质之间的相互作用又至关重要。因此，发展能用于、动态、实时、连续监测蛋白质和基因活动的方法非常必要。飞秒激光多光子显微镜研究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。
多束扫描技术可以同时对神经元组织的不同位置进行成像该技术：对两个远距离（相距大于1-2 mm）的成像部位，通常使用两条单独的路径进行成像；对于相邻区域，通常使用单个物镜的多光束进行成像。多光束扫描技术必须特别注意激发光束之间的串扰问题，这个问题可以通过事后光源分离方法或时空复用方法来解决。事后光源分离方法指的是用算法来分离光束消除串扰；时空复用方法指的是同时使用多个激发光束，每个光束的脉冲在时间上延迟，这样就可以暂时分离被不同光束激发的单个荧光信号。引入越多路光束就可以对越多的神经元进行成像，但是多路光束会导致荧光衰减时间的重叠增加，从而限制了区分信号源的能力；并且多路复用对电子设备的工作速率有很高的要求；大量的光束也需要更高的激光功率来维持近似单光束的信噪比，这会容易导致组织损伤。
某种物质能产生荧光，首要条件是分子必须具有吸收的结构，即生色团（分子中具有吸收特征频率的光能的基团）。其次，该物质必须具有一定的量子产率和适宣的环境。我们把分子中发射荧光的基团称为荧光团。荧光团一定是生色团，但生色团不一定是荧光团。因为，如果生色团的量子产率等于零，就不能发射出荧光，处于激发态的分子，可以由许多方式（如热，碰撞）把能量释放出来，发射荧光只是其中的一种方式。此外，一种物质吸收光的能力及量子产率又与物质所处的环境密切相关。多光子显微镜被认为是、完整生物组织成像的手段之一，其成像尺度从分子级别到整个有机体。
通过添加FACED模块，可以将基于标准振镜的现有2PM轻松转换为千赫兹成像系统。FACED双光子荧光显微镜遵循光栅扫描，需要很少的计算处理，在稀疏或密集的标记样本中均可以使用，并且不受串扰的影响，而且对整个图像平面采样后可以进行运动校正。实验中没有观察到光损伤的迹象，此外，子脉冲延迟到达相同的样品位置，能为荧光团提供充足的时间使其从易于破坏的暗态返回到基态，可以明显减少光漂白。使用现有的传感器，FACED双光子荧光显微镜可以提供足够的速度和灵敏度来检测神经元过程中的钙瞬变和谷氨酸瞬变，以及来自细胞体的尖峰和亚阈值电压。该组使用基于FACED的2PM显微镜，在小鼠大脑中实现了千赫兹速率的神经活动成像。在物镜平均激光功率为10-85mW下，他们测量了清醒小鼠中V1神经元的自发性和感觉诱发性的超阈值和亚阈值电位活动。多光子显微镜的分辨率比传统的单光子共聚焦要低的多。美国啮齿类多光子显微镜单分子成像定位
使用双光子显微镜观察标本的时候，只有在焦平面上才有光漂白和光毒性。多光子显微镜单分子成像定位
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。多光子显微镜单分子成像定位
