光学显微镜从1590年发明以来，不断发展，促进生命科学日新月异的发现，帮助人类逐层打开生命本质的大门。同时，生命科学的发展不断给光学显微镜提出新的要求，促使成像理论和技术持续更新迭代。科学进入21世纪，人们已经不满足于在体外研究细胞和组织，需要能够更真实地探索生命，在体内实时观察细胞的发生和变化。此时，双光子显微镜进入了科学家的视野。在高光子密度的情况下，荧光分子可以同时吸收两个长波长的光子，然后发射出一个波长较短的光子，其效果和使用一个波长为长波长一半的光子去激发荧光分子是相同的（图1）。如烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH），在单光子激发时，在波长为350nm光的激发下发出450nm荧光；而在双光子激发时，可采用700nm的激发光得到450nm荧光。双光子显微镜角膜成像。美国布鲁克双光子显微镜用途
1.生物组织对红外光的吸收弱，对可见光吸收强。类似的，平时用手电筒照射手指，会看到手通透红亮，也是由于生物组织对长波长的红光吸收少。2.生物组织对红外光的散射弱。因为瑞利散射的强度反比于波长λ的四次方。类似的，早晨的太阳非常红，也就是因为长波长的红光穿透力更强。这两点共同导致长波长的红外光比可见光对生物组织的穿透能力强。与单光子显微镜（如共聚焦显微镜）相比，双光子显微镜可以使用约二倍波长的激光去激发荧光团。长波长光束散射程度低(RayleighScattering)，所以穿透能力强。双光子显微镜厂家双光子显微镜可以在小鼠的的任何部位进行有生命体成像。
使用双光子显微镜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只是于浅层深度。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，需要较提高2PM的成像速率。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，如图2所示。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。
其实电子显微镜相比光学显微镜的重要优势或意义不在于放大倍数，而在于超高的分辨率。这两者是不同的。一般来说，观察时，除了放大物体外，还需要将其与其他相邻物体区分开来。如果两个相邻粒子的图像在光学显微镜下，即使放大很大程度，也可能看到两个相交的亮点(艾里斑)，没有明显的边界(更不用说细节了)，说明分辨率不够。没有分辨率谈放大是没有意义的。光学显微镜的分辨率极限是阿贝极限，大约是光波波长的一半。通常称之为光学显微镜的放大极限，但准确的说应该叫分辨率极限。原因是光的衍射，根本原因是光的波粒二象性。电子衍射实验证明了电子的波动性，所以在电子显微镜中用电子代替光是可能的。电子显微镜也有很多种，被摄体像REM。也有根据衍射规律观察的电子显微镜，如低能电子衍射(LEED)和透射电子显微镜(TEM)。两者主要用于观察晶体，根据晶体的周期特性在倒易空间产生衍射像，借助埃尔沃德球或傅里叶变换将其变换到实空间，即可得到真实的晶体表面像。双光子显微镜可精确穿透较厚标本进行定点、有生命体的观察！
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，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只是于浅层深度。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，需要较提高2PM的成像速率。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，如图2所示。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，双光子显微镜可以进行厚的组织样品拍摄。美国布鲁克双光子显微镜用途
双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。美国布鲁克双光子显微镜用途
双光子之源：飞秒激光：双光子吸收理论早在1931年就由诺奖得主MariaGoeppertMayer提出，30年后因为有了激光才得到实验验证，但是到WinfriedDenk发明双光子显微镜又用了将近30年。要理解双光子的技术挑战和飞秒激光发挥的重要作用，首先要了解其中的非线性过程。双光子吸收相当于和频产生非线性过程，这要求极高的电场强度，而电场取决于聚焦光斑大小和激光脉宽。聚焦光斑越小，脉宽越窄，双光子吸收效率越高。对于衍射极限显微镜，聚焦在样品上的光斑大小只和物镜NA和激光波长有关，所以关键变量只剩下激光脉宽。基于以上分析，能够以高重频(100MHz)输出超短脉冲(100fs量级)的飞秒激光器成了双光子显微镜的标准激发光源。这也再次说明双光子显微镜的优势：只有焦平面处才能形成双光子吸收，而焦平面之外由于光强低无法被激发，所以双光子成像更清晰。WinfriedDenk初使用的光源是染料飞秒激光器(100fs脉宽、630nm可见光波长)。虽然染料激光器对于实验室演示尚可，但是使用很不方便所以远未实现商用。很快双光子显微镜的标配光源就变成了飞秒钛宝石激光器。除了固态光源优势，钛宝石激光器还具有较宽的近红外波长调谐范围，而近红外相比可见光穿透更深，对生物样品损伤更小。美国布鲁克双光子显微镜用途
