1990年初，当WinfriedDenk刚从康奈尔大学博士毕业准备前往瑞士读博后时，他看了一本关于激光扫描显微镜的书，从中了解到非线性光学效应——强光和物质的相互作用。当时，Denk有同事研究生物样品中的钙离子但苦于没有强大的紫外激光器和光学元件，于是他就想到如果使用双光子吸收就能够绕开紫外，换言之，与其通过一个紫外光子激发标记的钙离子，通过两个双倍波长的可见光光子也能激发相同的荧光。有了想法后马上实验。借了一套染料飞秒激光器，Denk联合他的导师WattWebb及其博士生JamesStrickler只用六个小时就完成了实验搭建，采集数据则用了两到三天，于是一篇里程碑式的文章就此诞生了。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。国内激光荧光双光子显微镜扫描深度
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。美国布鲁克双光子显微镜光毒性双光子显微镜使用高能量锁模脉冲激光器。
而配合了双光子激发技术，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，从而被光探头接收，从而达到逐点扫描的效果。
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。双光子显微镜在组织透明化成像中应用。
和很多伟大的科学发明一样，双光子显微镜的出现也有一点偶然，但正是那瞬间的灵感为生物科学尤其是神经科学带来了一种**性的成像技术：双光子激发荧光显微镜。1990年初，当WinfriedDenk刚从康奈尔大学博士毕业准备前往瑞士读博后时，他看了一本关于激光扫描显微镜的书，从中了解到非线性光学效应——强光和物质的相互作用。当时，Denk有同事研究生物样品中的钙离子但苦于没有强大的紫外激光器和光学元件，于是他就想到如果使用双光子吸收就能够绕开紫外，换言之，与其通过一个紫外光子激发标记的钙离子，通过两个双倍波长的可见光光子也能激发相同的荧光。有了想法后马上实验。借了一套染料飞秒激光器，Denk联合他的导师WattWebb及其博士生JamesStrickler只用六个小时就完成了实验搭建，采集数据则用了两到三天，于是一篇里程碑式的文章就此诞生了。双光子显微镜在各领域研究中已有许多成功实例。美国布鲁克双光子显微镜光毒性
双光子显微镜还可以对一些具有双光子特性的染料细胞进行特定实验；国内激光荧光双光子显微镜扫描深度
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。国内激光荧光双光子显微镜扫描深度
