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。显微镜简史：从光到多光子显微镜。啮齿类多光子显微镜暗场成像
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。激光扫描多光子显微镜数据采集1990年A.Mayer在Science上刊文展示了双光子激光扫描荧光显微镜。
根据阿贝成像原理，许多光学成像系统是一个低通滤波器，物平面包含从低频到高频的信息，透镜口径会限制高频信息通过，只允许一定的低频通过，因此丢失了高频信息会使成像所得图像的细节变模糊，降低分辨率。对于三维成像来说，宽场照明时得到的信息不仅包含物镜焦平面上样品的部分信息，同时还包含焦平面外的样品信息。由于受到焦平面外的信息干扰，常规荧光显微镜无法获得层析图像。三维结构光照明显微镜能够提高分辨率、获得层析图像，是因为利用特定结构的照明光能引入样品的高频信息，当结构光的空间频率足够高时，只有靠近焦面的部分才能被结构光调制，超出这一区域，逐渐转变为均匀照明，也就是只有焦面附近的有限区域具有相对完整的频谱信息，离焦后，高频信息迅速衰减，所以使用高频结构光照明可以区分焦面和离焦区域来获得层析图像。然后再通过轴向扫描可以获取样品不同深度的焦面图像，重建样品的三维结构。
Ca2+是重要的第二信使，对于调节细胞的生理反应具有重要的作用，开发和利用双光子荧光显微成像技术对Ca2+荧光信号进行观测，可以从某些方面对有机体或细胞的变化机制进行分析，具有重要的意义。利用双光子荧光显微成像技术可以观察细胞内用荧光探针标记的 Ca2*的时间和空间的荧光图像的变化，还可以观察细胞某一层面或局部的（Ca2+）荧光图像和变化。通过对单细胞的研究发现，Ca2+不仅在细胞局部区域间的分布是不均匀的，而且细胞内各局部区域的不同深度或层次间也存在不同程度的 Ca2+梯差即所谓的空间 Ca2梯差。从双光子到三光子甚至四光子，这种非线性成像技术通常也被统称为多光子显微镜。
多光子激光扫描显微镜行业发展，世界多光子激光扫描显微镜产业主要布局在德国和日本，德国是以徕卡显微系统和蔡司为，而日本以尼康和奥林巴斯公司为，2020年，上述企业占据着世界多光子激光扫描显微镜市场 64.44%的市场份额，其发展战略左右着多光子激光扫描显微镜市场的走向。目前世界市场对多光子激光扫描显微镜的需求在增长，中国市场这方面的需求增长更快，未来五年多光子激光扫描显微镜市场的发展在中国将具有很大的发展潜力。多光子显微镜适用于动物大脑皮层深层（400微米）细胞的形态、生理学研究。美国布鲁克多光子显微镜
多光子显微镜市场集中，由于投产生产的成本较高，技术难度大，目前涌现的新企业不多。啮齿类多光子显微镜暗场成像
双光子荧光显微成像主要有以下优点∶a.光损伤小∶双光子荧光显微镜使用可见光或近红外光作为激发光，对细胞和组织的光损伤很小，适合于长时间的研究;b.穿透能力强∶相对于紫外光，可见光或近红外光具有很强的穿透性，可以对生物样品进行深层次的研究;c．高分辨率∶由于双光子吸收截面很小P，只有在焦平面很小的区域内可以激发出荧光，双光子吸收局限于焦点处的体积约为λ范围内;d.漂白区域很小，焦点以外不发生漂白现象。e．荧光收集率高。与共聚焦成像相比，双光子成像不需要光学滤波器，提高了荧光收集率。收集效率提高直接导致图像对比度提高。f.对探测光路的要求低。由于激发光与发射荧光的波长差值加大以及自发的三维滤波效果，多光子显微镜对光路收集系统的要求比单光子共焦显微镜低得多，光学系统相对简单。g.适合多标记复合测量。许多染料荧光探针的多光子激发光谱要比单光子激发谱宽阔，这样，可以利用单一波长的激发光同时激发多种染料，从而得到同一生命现象中的不同信息，便于相互对照、补充。啮齿类多光子显微镜暗场成像
