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。国外荧光双光子显微镜作用
双光子显微镜的基本原理是：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，在经过一个很短的所谓激发态寿命的时间后，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。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，其脉冲宽度只有100飞秒，而其周期可以达到80至100兆赫兹。在使用高数值孔径的物镜将脉冲激光的光子聚焦时，物镜的焦点处的光子密度是比较高的，双光子激发只发生在物镜的焦点上，所以双光子显微镜不需要共聚焦，提高了荧光检测效率。美国ultima2PPLUS双光子显微镜用途用双光子显微镜看看你的皮肤有没有重焕新生。
光学显微镜和电子显微镜本质的区别在于，光学显微镜：用的是可见光电子显微镜：用的是高频电子射波有什么区别，在于一个基本的原理，光的衍射。。。光波是一个有趣的东西，其中有一项，如果物体的体积小于光的波长，光一般可以绕过去，不发生明显变化。也就是说，有这个物体和没这个物体，在这种情况下，光是不会发生明显改变的。可见光的波长（肉眼）：380～780纳米，也就是，如果比380纳米还要小的东西，用光学显微镜，无论你放大多少倍，也是看不见的。因为光绕过去了。。。光的衍射为了克服这个问题，科学家用波长更短的光去照射物体，也是就被观测物。比如10纳米级的光，这样，就能看到我们用肉眼无论如何都看不见的东西。这就是电子显微镜多说一句，光速是不变的。光速=频率×波长。波长越短，频率越大。。频率越大，光波的能量越大。这就是为什么电子显微镜的功率越大，能看到的东西越小。颜色取决于物体能反射光的波长的长短当你看到的物体小于较小可见光的波长，那它就是没有颜色的。。。因为颜色是肉眼对于可见光频率在大脑中的投影。。。。所以只能把他们统一变为黑白。。。没有颜色不是透明的意思，它们不是肉眼可见颜色的定义中包含的。
双光子显微镜是激光扫描共聚焦显微镜和双光子激发技术相结合的新技术。双光子激发的基本原理是:在光子密度较高的情况下，荧光分子可以同时吸收两个波长较长的光子，经过短暂的所谓激发态寿命后，发射一个波长较短的光子；效果和用波长为长波长一半的光子激发荧光分子是一样的。双(多)光子成像的优点是具有更深的组织穿透深度，红外光可以在平面上探测到极限为1mm的组织区域；因为信号背景比高，所以具有更高的对比度；由于激发体积小，具有定点激发、光毒性小的特点；激发波长由紫外、可见光调整为红外激发，更加安全。双光子显微镜能够进行光裂解、光转染和光损伤等光学操纵。
第二代微型化双光子荧光显微镜FHIRM-TPM2.0，其成像视野是该团队于2017年发布的代微型化显微镜的7.8倍，同时具备三维成像能力，获取了小鼠在自由运动行为中大脑三维区域内上千个神经元清晰稳定的动态功能图像，并且实现了针对同一批神经元长达一个月的追踪记录。在一批“早鸟项目”中，该系统已被多个研究组应用于不同的模式动物和行为范式，如小鼠的社交新颖性识别、斑胸草雀受调控后大脑特定神经元变化、新型神经递质乙酰胆碱探针的传导适应性分析以及猕猴三脑区成像等多项研究。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。国外荧光双光子显微镜作用
双光子显微镜已延伸到各个领域研究中，它能对样品进行三维观察。国外荧光双光子显微镜作用
2008年钱永健等人由于荧光蛋白（GFP，绿色荧光蛋白）的发现和使用，获得了诺贝尔化学奖，是对荧光成像技术的一次巨大肯定和推动。与荧光蛋白以及荧光染料等标记物在细胞中的定位与表达技术相结合，使得科学家可以特异性的分辨生物体乃至细胞内部不同结构与成分，并且能够在生命体和细胞仍具有活性的状态下（状态）对其功能进行动态观察。这就使得荧光成像技术成为了无可替代的，生物学家现今较为重要的技术手段之一。目前，大多数细胞生物学和生理学研究主要还是在离体培养的细胞体系中研究。然而与细胞生物学研究有所不同的是，大脑的功能研究的整体性和原位性显得更加关键：只研究分离的神经元无法解释神经系统的功能和规律。由于被观测的信号会受到样本组织的散射和吸收，根本无法穿透如此深的组织进行成像。而双光子显微镜（Two-photonMicroscopy，简称TPM）的发明，则为此类研究带来了希望。国外荧光双光子显微镜作用
