使用基因编码的荧光探针可以在突触和细胞分辨率下监测体内神经元信号，这是揭示动物神经活动复杂机制的关键。使用双光子显微镜（2PM）可以以亚细胞分辨率对钙离子传感器和谷氨酸传感器成像，从而测量不透明大脑深处的活动；成像膜电压变化能直接反映神经元活动，但神经元活动的速度对于常规的2PM来说太快。目前电压成像主要通过宽场显微镜实现，但它的空间分辨率较差并且于浅层深度。因此要在不透明的大脑中以高空间分辨率对膜电压变化进行成像，需要明显提高2PM的成像速率。多光子显微镜的大多数补偿器都采用棱镜。美国模块化多光子显微镜暗场成像
多光子激发在紫外成像的优势在可见光脉冲中能得到紫外衍射的显微观察像。即使不使用紫外域光源、光学元件用可见光源、光学元件就能得到紫外光激励的高空间分辨率图像。多光子在生物成像中的优势在生物显微镜观察方面，较早考虑的是不损坏生物本身的活性状态，维持水分、离子浓度、氧和养分的流通。在光观察场合，无论是热还是光子能量方面都必须停留在细胞不受损伤的照射量、光能量内。多光子显微镜则能够满足此，而且还具有很多优点。如三维分辨率、深度侵入、在散射效率、背景光、信噪比、控制等方面，均有以往激光显微镜不具备，或具有无法比拟的超越特性。共聚焦多光子显微镜长时间观察目前中国显微镜中如多光子显微镜、共聚焦扫描和电子显微镜等。
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。
继首代小型化双光子显微镜在国际上获得小鼠自由行为过程中大脑神经元和突触的动态图像后，我们成功研制了第二代小型化双光子显微镜。它具有更大的成像视野和三维成像能力，可以清晰稳定地对自由活动小鼠三维脑区的数千个神经元进行成像，实现对同一批神经元的一个月追踪记录。通过对微光学系统的重新设计系统的。微物镜工作距离延长至1mm，实现无创成像。内嵌可拆卸的快速轴向扫描模块，可采集深度180微米的3D体成像和多平面快速切换的实时成像。该扫描模块由一个快速的电动变焦透镜和一对中继透镜组成，在不同深度成像时可保持放大倍率恒定。其变焦模块重量，研究人员可根据实验需求自由拆卸。此外，新版微型化成像探头可整体即时拔插，极大地简化了实验操作，避免了长周期实验时对动物的干扰。在重复装卸探头同一批神经元时，视场旋转角小于，边界偏差小于35微米。 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。
与传统的单光子宽视野荧光显微镜相比，多光子显微镜（MPM）具有光学切片和深层成像等功能，这两个优势极大地促进了研究者们对于完整大脑深处神经的了解与认识。2019年，JeromeLecoq等人从大脑深处的神经元成像、大量神经元成像、高速神经元成像这三个方面论述了相关的MPM技术[1]。想要将神经元活动与复杂行为联系起来，通常需要对大脑皮质深层的神经元进行成像，这就要求MPM具有深层成像的能力。激发和发射光会被生物组织高度散射和吸收是限制MPM成像深度的主要因素，虽然可以通过增加激光强度来解决散射问题，但这会带来其他问题，例如烧坏样品、离焦和近表面荧光激发。增加MPM成像深度比较好的方法是用更长的波长作为激发光。生产和消费的角度分析多光子显微镜的主要生产地区、主要消费地区以及主要的生产商。美国模块化多光子显微镜暗场成像
多光子成像是一种非线性的过程，信号产生要求功率密度达到MW/cm2的量级。美国模块化多光子显微镜暗场成像
ＳｔｅｒｎａｎｄＪｅａｎＭａｒｘ在评论中说：祖家能够在更为精细的层次研究树突的功能，这在以前是完全不可能的。新的技术（如脑片的膜片钳和双光子显微使人们对树突的计算和神经信号处理中的作用有了更好的理解。他们解释了是树突模式和形状多样性，及其独特的电、及其独特的电化学特征使神经元完成了一系列的专门任务。双光子与共聚焦在发育生物学中的应用双光子∶ 每2.5分钟扫描一次，观察24小时，发育到桑椹胚和胚泡阶段共聚焦∶每15分钟扫描一次，观察8小时后细胞分裂停止，不能发育到桑椹胚和胚泡阶段共聚焦激发时的细胞存活率为多光子系统的10～20%。美国模块化多光子显微镜暗场成像
