随着生物分子光学标记技术的不断进步，光学技术在揭示生命活动基本规律的研究中正发挥越来越重要的作用，也为医学诊疗提供了更多、更有效的手段。生物医学光学是近年来受到国际光学界和生物医学界关注的研究热点，在生物活检、光动力、细胞结构与功能检测、基因表达规律的在体研究等问题上取得了一系列研究成果，目前正在从宏观到微观上对大脑活动与功能进行多层面的研究。细胞重大生命活动（包括细胞增殖、分化、凋亡及信号转导）的发生和调节是通过生物大分子间（如蛋白质-蛋白质、蛋白质-核酸等）相互作用来实现的。蛋白质作为基因调控的产物，与细胞和机体生理过程代谢直接相关，深入研究基因表达及蛋白质-蛋白质相互作用不仅能揭示生命活动的基本规律，同时也能深入了解疾病发生的分子机理，进而为寻找更有效的药物分子、提高药物筛选和药物设计的效率提供新的方法和思路。多光子显微镜在生物医学研究中有广泛的应用，可以观察细胞内的亚细胞结构、蛋白质分布、细胞活动等。美国全自动多光子显微镜单分子成像定位
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。布鲁克多光子显微镜研究OCT可以用于损伤修复监测。Yeh等用OCT、多光子显微镜。
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。
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:对于两个远程成像位置(相距1-2mm以上)，通常采用两个**的路径进行成像；对于相邻区域，通常使用单个物镜的多个光束进行成像。多光束扫描技术必须特别注意激发光束之间的串扰，这可以通过事后光源分离或时空复用来解决。事后光源分离法是指分离光束以消除串扰的算法；时空复用法是指同时使用多个激发光束，每个光束的脉冲在时间上被延迟，使不同光束激发的单个荧光信号可以暂时分离。引入的光束越多，可以成像的神经元越多，但多束会导致荧光衰减时间重叠增加，从而限制了分辨信号源的能力；并且复用对电子设备的工作速度要求很高；大量的光束也需要较高的激光功率来维持单束的信噪比，这样容易导致组织损伤。多光子显微镜是一种强大的显微镜技术，具有广泛的应用前景和发展潜力。
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的分子的平均寿命大约在10s左右。这时它不是通过内转换的方式来消耗能量，回到基态，而是通过发射出相应的光量子来释放能量，回到基态的各个不同的振动能级时，就发射荧光。因为在发射荧光以前已经有一部分能量被消耗，所以发射的荧光的能量要比吸收的能量小，也就是荧光的特征波长要比吸收的特征波长来的长。多光子显微镜使用高能量锁模脉冲激光器。美国在体多光子显微镜数据采集
多光子显微镜的成熟的深部组织成像技术中。还有其他类型的图像对比提供有关样本的有价值信息。美国全自动多光子显微镜单分子成像定位
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。美国全自动多光子显微镜单分子成像定位
