Ca2+是重要的第二信使，对于调节细胞的生理反应具有极其重要的作用，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。美国布鲁克多光子显微镜成像分辨率
多光子激发扫描显微成像系统的不足。只能对荧光成像。如果样品包括能够吸收激发光的色团，如色素，样品可能受到热损伤。分辨率略有降低，虽然可以通过同时利用共焦的小孔得到改善，但是信号会有损耗。受昂贵的超快激光器限制，多光子扫描显微镜的成本较高。多光子激发显微镜应用举例。动物和脑片神经细胞结构与功能、动物脑皮层的成像、胚胎发育过程的长时间动态观测、多光子激发光解笼、细胞内微区钙动力学、多光子激发自发荧光、其它应用。美国多光子显微镜实验多光子显微镜的大多数补偿器都采用棱镜。
多光子显微镜成像深度深、对比度高，在生物成像中具有重要意义，但通常需要较高的功率。结合时间传播的超短脉冲可以实现超快的扫描速度和较深的成像深度，但近红外波段的光本身会导致分辨率较低。基于多光子上转换材料和时间编码结构光显微镜的高速超分辨成像系统(MUTE-SIM)是由清华大学教授和北京大学彭研究员合作开发的。可实现50MHz的超高扫描速度，突破衍射极限，实现超分辨率成像。与普通荧光显微镜相比，该显微镜经过改进，只需要较低的激发功率。这种超快、低功耗、多光子超分辨率技术在高分辨率生物深层组织成像中具有长远的应用前景。
单束扫描技术可以高速遍历大视场（FOV）的神经组织：使用MPM对神经元进行成像时，通过随机访问扫描—即激光束在整个视场上的任意选定点上进行快速扫描—可以只扫描感兴趣的神经元，这样不仅避免扫描到任何未标记的神经纤维，还可以优化激光束的扫描时间。随机访问扫描（图1）可以通过声光偏转器（AOD）来实现，其原理是将具有一个射频信号的压电传感器粘在合适的晶体上，所产生的声波引起周期性的折射率光栅，激光束通过光栅时发生衍射。通过射频电信号调控声波的强度和频率从而可以改变衍射光的强度和方向，这样使用1个AOD就可以实现一维横向的任意点扫描，利用1对AOD，结合其他轴向扫描技术可实现3D的随机访问扫描。但是该技术对样本的运动很敏感，易出现运动伪影。目前，快速光栅扫描即在FOV中进行逐行扫描，由于利用算法可以轻松解决运动伪影而被普遍的使用。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。
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。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。美国进口多光子显微镜系统
多光子显微镜在基础科学和临床诊断领域的应用范围正在持续增长。美国布鲁克多光子显微镜成像分辨率
快速光栅扫描有多种实现方式，使用振镜进行快速2D扫描，将振镜和可调电动透镜结合在一起进行快速3D扫描，但可调电动透镜由于机械惯性的限制在轴向无法快速进行焦点切换，影响成像速度，现可使用空间光调制器（SLM）代替。远程聚焦也是一种实现3D成像的手段，如图2所示。在LSU模块中，扫描振镜进行横向扫描，ASU模块包括物镜L1和反射镜M，通过调控M的位置实现轴向扫描。该技术不仅可以校正主物镜L2引入的光学像差，还可以进行快速的轴向扫描。想要获得更多神经元成像，可以通过调整显微镜的物镜设计来扩大FOV，但是具有大NA和大FOV的物镜通常重量较大，无法快速移动以进行快速轴向扫描，因此大型FOV系统依赖于远程聚焦、SLM和可调电动透镜。美国布鲁克多光子显微镜成像分辨率
