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。 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。美国激光扫描多光子显微镜Ultima Investigator
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。美国飞秒激光多光子显微镜原理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。
要想实现离散的轴向重新聚焦，需要在OBJ1的焦平面中放置一个阶梯镜（图3b）。当入射激光束被OBJ1聚焦到的焦平面恰好与阶梯重合时，被反射的激光将在无穷大的空间中成为准直光束，并在OBJ2的焦平面上形成激光光斑。并且返回的激光束会被GSM消除横向扫描，即OBJ2形成的焦点不会进行横向扫描，实现轴向扫描。如果激光点被扫描到与焦平面不一致的阶梯，则会形成远离镜面的激光焦点，返回的激光束会在无穷大的空间中会聚或发散，进而导致由OBJ2形成的激光焦点也在轴向重新聚焦，通过这种方式即能实现离散的轴向扫描。对于已精确匹配两个物镜光瞳的光学装置，不会引入像差。为了进行连续的轴向重新聚焦，将阶梯镜替换为稍微倾斜的平面镜，同时入射的激光焦点也需要被倾斜，使得其以垂直于镜面的方向入射，通过相对入射激光束稍微平移OBJ1即可实现这种倾斜。
多光子激发的特点。激发波长∶两个或多个光子同时激发，激发波长是单光子激发波长的两倍或多倍（i.e.红光能激发UV探针）。多光子激发∶依赖于多个光子同时到达的时间。使用脉冲飞秒激光器（i.e.10-16 seconds），且能提供更高的峰值功率。荧光限制在焦点处，能满足多个光子同时达到产生多光子吸收。荧光强度正比于（激光强度）n。为什么使用飞秒激光器?多光子激发需要超快的激光器，皮秒脉冲不能实现三光子激发。深度成像需要更高、更窄脉冲输出功率。多光子激发光源处于近红外区，对细胞毒性和光漂白更小。多光子显微镜作为一种研究微观结构和功能的技术，在众多领域得到了普遍的应用。
以往我们认识的光电效应是单光子光电效应，即一个电子在极短时间内能吸收到一个光子而从金属表面逸出。强激光的出现丰富了人们对于光电效应的认识，用强激光照射金属，由于其光子密度极大，一个电子在短时间吸收多个光子成为可能，从而形成多光子电效应，这已被实验证实。为什么一般讨论的光电效应都是指单光子光电效应呢？这是因为，在使用普通光源的情况下，电子吸收两个以上光子能量的概率是非常非常小的，几乎为零。事实上，爱因斯坦本人就考虑过在强光下发生光电效应的可能性问题。对此，他有如下的论述：光电效应中的一个电子吸收两个光子的几率不会大于下雨天两个雨滴同事打在一个蚂蚁上的几率。因此，多光子光电效应在实验上的研究成为可能，是二十世纪六十年代激光乃至强激光出现以后的事情。有了激光，对于双光子光电效应，在实验上和理论上均取得了许多成果。利用强激光，人们不仅观察到双光子和三光子的光电效应，甚至观察到金靶材吸收几十个等效光子实验现象。多光子显微镜作为神经科学重要的研究工具，近年来发展快速，品牌也众多。美国全自动多光子显微镜Ultima Investigator
证实了多光子显微镜对皮肤和别的皮肤病的诊断的可行性。美国激光扫描多光子显微镜Ultima Investigator
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。美国激光扫描多光子显微镜Ultima Investigator
