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。多光子显微镜，提高样品成像质量，降低样品损害程度。美国高速高分辨率多光子显微镜准确定位
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。美国高速高分辨率多光子显微镜系统点扫描多光子显微镜可以深入样本并捕捉高质量的图像，但这个过程极其缓慢，因为图像是一次形成一个点。
单光子激发荧光和双光子激发荧光，是从荧光产生的机理上来区分的。而共焦则是荧光显微镜的一种结构，其目的是为了，通过共焦结构，提高整个荧光显微镜的空间分辨率。所以共焦荧光显微镜可以根据激发光源的不同，实现单光子共焦荧光成像或者双光子共焦荧光成像。往往一个普通的双光子荧光显微镜（没有共焦结构）其空间分辨率也可以达到单光子共焦荧光显微镜的水平。这样就可以简化整个系统，相对来说，就提高了激发光源的利用率，以及荧光的探测效率，这个也是我们提倡双光子荧光成像的原因之一。双光子荧光共焦显微镜由于双光子效应和共焦结构，分辨率则会更高，而我们通常说的共焦显微镜都是指单光子激发荧光的。
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对两个远距离（相距大于1-2mm）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。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。
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。多光子显微镜可以进行深层成像，且具有三维成像的能力，可以应用于拍摄不透明的厚样品。美国高速高分辨率多光子显微镜准确定位
多光子显微镜能提供多种对比度机制。美国高速高分辨率多光子显微镜准确定位
多光子成像系统提供的优势包括了真正的三维成像、对活组织内部深处进行成像的能力以及消除平面外荧光的能力。使用这种方法进行成像，可以对斯托克斯位移非常短和/或效率非常低的荧光染料进行成像，甚至可以对样品或组织中固有的荧光分子进行成像。多光子成像的缺点包括需要高峰值功率脉冲激光器，例如锁模钛：蓝宝石激光器，并且直到现在，缺乏在整个发射范围内提供足够吞吐量的高性能滤光片。整个激光调谐范围内的兴趣和足够的阻挡。美国高速高分辨率多光子显微镜准确定位
