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（如下图）。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750nm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。双光子显微镜可以用于局部微蚀镭射磨皮后的胶原重塑的检测。国外布鲁克双光子显微镜用途
双光子荧光显微镜是结合了激光扫描共聚焦显微镜和双光子激发技术的一种新技术。双光子激发的基本原理是: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，在经过一个很短激发态后，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。因其光损伤小、使得观察荧光细胞成为可能。中国医学科学院医学实验动物研究所-双光子显微镜成像平台借助于双光子显微镜成像技术及不同转基因小鼠开展对多种脏器的成像研究。以小鼠颅内成像为优势，可观察小鼠颅内神经细胞、小胶质细胞/巨噬细胞、周细胞、血管、转移瘤细胞、胶质瘤细胞等的变化情况，在**学、神经生物学、发育生物学、神经退行性疾病等领域具有广泛应用。小鼠其它组织脏器，如脾、颅骨、股骨、胸骨等也可借助本平台进行成像研究。荧光双光子显微镜在深度组织中以较长时间对细胞成像，双光子显微镜是当前之选。
目前，脑科学的研究在全球范围内如火如荼，中国的脑计划也即将启动。其中，全景式分析脑连接图和功能动态图的研究成为重点研究方向，如何打破尺度壁垒，将微观神经元和突触的信息处理和个体行为信息与全脑融合，是该领域亟待解决的关键挑战。2021年1月6日，由北京大学分子医学研究所牵头，北京大学信息科学与技术学院电子系、工程学院和中国人民医学科学院组成的跨学科团队在NatureMethods上在线发表了一篇题为《大视场、多平面、长程脑成像的微型双光子拷贝》的文章。本文报道了第二代小型化双光子荧光显微镜FHIRM-TPM2.0。其成像视场是团队2017年发布的第1代小型化显微镜的7.8倍。同时具有三维成像能力，获得了小鼠自由运动行为时大脑三维区域数千个神经元清晰稳定的动态功能图像，实现了对同一批次神经元一个月的跟踪记录。
双光子显微镜的优势相比普通的显微镜电子显微镜可以观察尺度更小的东西，冷冻电镜更是可以观察有活性的生物大分子，而双光子显微镜有什么优势呢？它能做到什么普通光学显微镜做不到的事情吗？原来，双光子显微镜可以精确穿透较厚标本进行定点、观察！由于电磁波的波长越短，粒子性越强，受散射影响也就越大。双光子显微镜将激发光源改为长波长激光，在增加了激光的穿透性的同时还减少了对细胞的毒性。除此之外，因为只有物镜焦点处能发生双光子激发效应，所以扫描的精确度极高，也能提高激发光效率，减少被扫描点之外的荧光物质消耗。优势来源于其双光子光源的非线性光学效应。
双光子显微镜为什么穿透能力强？因为组织对可见光区域的较强吸收和散射带来两个严重的问题第1个是激发光的减弱，第2个就是另外就是由于物镜本身光的光学特性，单光子激发的背景较强，所以才有共聚焦系统提高成像的分辨率因为组织对可见光区域的较强吸收和散射带来两个严重的问题第1个是激发光的减弱，第2个就是另外就是由于物镜本身光的光学特性，单光子激发的背景较强，所以才有共聚焦系统提高成像的分辨率刚好双光子在这两点具有很大的优势上面的内容基本在谈到双光子优势都会相对说明，在实际操作中成像的深度和样品的关系很大，双光子成像利用高亮度的荧光标记材料，已经有做到mm级别的穿透深度这种双光子显微镜的视场是普通显微镜的10倍。国外激光双光子显微镜授权供应商
双光子显微镜角膜成像。国外布鲁克双光子显微镜用途
TOPTICAFemtoFiberultra920超快光纤激光器是一种易于操作和免维护的激光系统其输出波长为920nm，非常适合常规荧光基团(如GFP、eGFP、曙红、GCaMP、CFP、钙黄绿素或金星)的双光子激发。它可以为荧光基团提供相对较高的峰值功率，常用于神经科学和其他与激光相关的光子学。此外，其独特的设计(简单和经济的光源)具有创新双光子荧光显微镜发展的潜力。在双光子显微镜中，峰值功率就是亮度！如果你想获得更好的图像亮度，那么你需要短脉冲，高功率，更重要的是，干净的时间脉冲形状。FemtoFiberultra920具有足够高的输出功率、短脉冲、独特的Clean-Pulse技术和相对较高的峰值功率，这使得在双光子显微镜中实现****亮度而无需对样品进行不必要的加热成为可能。FemtoFiberultra920全包式、完全集成的色散补偿(可确保样品处的短脉冲)、内置电源控制、直观的操作及其坚固紧凑的设计使系统具有非常友好的用户体验，是非线性显微镜应用的良好解决方案。例如，荧光蛋白的双光子激发和基于SHG的对比机制国外布鲁克双光子显微镜用途
