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。由于双光子激发需要很高的光子密度，为了不损伤细胞，双光子显微镜使用高能量锁模脉冲激光器。这种激光器发出的激光具有很高的峰值能量和很低的平均能量，从而可以减少光漂白和光毒性带来的不利影响。双光子显微镜能够在细胞甚至是亚细胞水平上对神经细胞的形态结构、离子浓度、细胞运动、进行直接成像监测。国内ultima2PPLUS双光子显微镜光子探测
从双光子的原理和特点，我们可以清楚地得出双光子的优点:☆光损伤小:由于双光子显微镜采用可见光或近红外光作为激发光源，因此该波段的光对细胞和组织的光损伤很小，适合长期研究；☆穿透能力强:与紫外光相比，可见光和近红外光的穿透能力更强，因此受生物组织散射的影响更小，解决了生物组织深层物质的层析成像问题；☆高分辨率:由于双光子吸收的截面很小，只能在焦平面很小的区域激发荧光，双光子吸收被限制在焦点处体积约为波长三次方的范围内；☆漂白区域小:由于激发只存在于交点处，焦点外的区域不会发生光漂白；☆荧光收集率高:与共焦成像相比，双光子成像不需要滤光片(共焦)，提高了荧光收集率，直接导致图像对比度的提高；☆图像对比度高:由于荧光波长小于入射波长，瑞利散射产生的背景噪声*为单光子激发产生的1/16，减少了散射的干扰；光子跃迁具有很强的选择性激发，因此可以用来对生物组织中的一些特殊物质进行成像；国内ultima2PPLUS双光子显微镜光子探测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！
随着技术的发展，双光子显微镜的性能得到不断地优化，结合它的特点，大致可以分成深和活两个方面的提升。要想让激发激光进入更深的层面，大致可从两个方面入手，装置优化与标本改造。关于装置优化，我们可以把激光束变得更细，使能量更加集中，就能让激光穿透更深。关于标本，其中影响光传播的主要是物质吸收和散射，解决这个问题，我们需要对样本进行透明化处理。一种方法是运用某种物质将标本浸泡，使其中的物质（主要是脂质）被破坏或溶解。另一种方法是运用电泳将脂质电解，让标本“透明度”提高。
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发动，所以双光子成像更清晰。
WinfriedDenk较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。下图是Thorlabs的双光子和三光子显微镜配置，钛宝石飞秒可调谐激光器位于平台较左边。从双光子到三光子科学家正在从双光子转向三光子显微镜。1996年，ChrisXu在康奈尔大学(Denk同导师实验室)读博期间发明了三光子显微镜，如果双光子吸收可行，那么三光子看起来也是自然的发展方向。三光子成像使用更长的波长，大约在1.3和1.7微米，其成像深度也比双光子更深，目前记录约为2.2毫米，人类大脑皮层厚约4毫米。相比双光子显微镜，三光子还要求以较低重频使用更强和更短的激光脉冲，而传统的钛宝石激光器难以达到这些要求，但是对于掺镱光纤飞秒光参量放大器则非常容易，比如我们的Y-Fi光参量放大器(OPA)。双光子显微镜在组织透明化成像中应用；国内ultima2PPLUS双光子显微镜扫描深度
双光子显微镜在组织透明化成像中应用。国内ultima2PPLUS双光子显微镜光子探测
配合双光子激发技术，激光共聚扫描显微镜则能更好得发挥功效。那么，什么是双光子激发技术呢？在高光子密度的情况下，荧光分子可以同时吸收2个长波长的光子使电子跃迁到较高能级，经过一个很短的时间后，电子再跃迁回低能级同时放出一个波长为长波长一半的光子（P=h/λ）。利用这个原理，便诞生了双光子激发技术。双光子显微镜使用长波长脉冲激光，通过物镜汇聚，由于双光子激发需要很高的光子密度，而物镜焦点处的光子密度是比较高的，所以只有在焦点处才能发生双光子激发，产生荧光，该点产生的荧光再穿过物镜，被光探头接收，从而能够达到逐点扫描的效果。国内ultima2PPLUS双光子显微镜光子探测
