首先，双光子成像采用波长范围约在700~1000nm的近红外光激发，在组织中的散射系数较小，穿透性很好，因此非常适合厚样本的观察。同时，由于是近红外光激发，也能避免样品中激发波长较短的自发荧光物质的干扰，可获得较强的荧光信号（如下图）。所以双光子成像具有较深的穿透力和较小的光毒性。通常在活物脑组织中双光子显微镜有效成像深度可达200~500μm，能够较好地进行三维成像。双光子成像的另一大优势在于精确的空间点聚焦性。一般条件下，物质只会被单光子激发，只有在光子密度足够高的情况下，物质才会吸收两个光子从而被激发，所以，双光子只会在光子密度蕞高的物镜焦点附近发生，很少产生焦平面外的杂散光（如下图）。这种性质既提高了成像质量，也降低了样本的光漂白、光损伤区域。基于这些优势，使得双光子显微镜非常适合对活细胞、活组织进行长时间在体成像。双光子显微镜使用高能量锁模脉冲激光器。激光双光子显微镜作用
新一代微型化双光子荧光显微镜体积小，重只2.2克，适于佩戴在小动物头部颅窗上，实时记录数十个神经元、上千个神经突触的动态信号。在大型动物上，还可望实现多探头佩戴、多颅窗不同脑区的长时程观测。相比单光子激发，双光子激发具有良好的光学断层、更深的生物组织穿透等优势，其横向分辨率达到0.65μm，成像质量与商品化大型台式双光子荧光显微镜可相媲美，远优于目前领域内主导的、美国脑科学计划重要团队所研发的微型化宽场显微镜。采用双轴对称高速微机电系统转镜扫描技术，成像帧频已达40Hz（256*256像素），同时具备多区域随机扫描和每秒1万线的线扫描能力。此外，采用自主设计可传导920nm飞秒激光的光子晶体光纤，该系统实现了微型双光子显微镜对脑科学领域较广泛应用的指示神经元活动的荧光探针（如GCaMP6）的有效利用。同时采用柔性光纤束进行荧光信号的接收，解决了动物的活动和行为由于荧光传输光缆拖拽而受到干扰的难题。未来，与光遗传学技术的结合，可望在结构与功能成像的同时，精细地操控神经元和神经回路的活动。国外荧光双光子显微镜商家双光子显微镜还可以对一些具有特性的染料细胞进行实验，还有一些短波长可以利用双光子特性进行特定实验。
TOPTICAFemtoFiberultra920超快光纤激光器是一种易于操作且无需维护的激光系统。其输出波长为920nm，非常适合常规荧光基团（如GFP，eGFP，Eosin，GCaMP，CFP，Calcein或者Venus）的双光子激发。能给荧光基团提供比较高的峰值功率，常用于神经科学和其他与激光有关的生物光子学学科。而且其独特设计（制造简单且经济高效的光源）对双光子荧光显微镜发展的革新具有潜在的可能。在双光子显微镜中，峰值功率就是亮度！如果您希望获得比较好的图像亮度，那么你就需要短脉冲，高功率，较重要的是需要干净的时间脉冲形状。FemtoFiberultra920具有足够高的输出功率，较短的脉冲和独特的Clean-Pulse技术，以及具有相对比较高的峰值功率，使得其在双光子显微镜中可以实现****的亮度，而不会对样品造成不必要的加热。FemtoFiberultra920交钥匙，完全集成的色散补偿（可确保样品处的脉冲较短），内置的功率控制，操作直观以及其坚固而紧凑的设计，使该系统具有极为友好的用户体验，是非线性显微镜应用的较好解决方案。例如荧光蛋白的双光子激发和基于SHG的对比机制。
使用双光子显微镜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只是于浅层深度。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，需要较提高2PM的成像速率。FACED模块输出处的子脉冲序列可以看作从虚拟光源阵列发出的光，这些子脉冲在中继到显微镜物镜后形成了一个空间上分离且时间延迟的焦点阵列。然后将该模块并入具有高速数据采集系统的标准双光子荧光显微镜中，如图2所示。光源是具有1MHz重复频率的920nm的激光器，通过FACED模块可产生80个脉冲焦点，其脉冲时间间隔为2ns。这些焦点是虚拟源的图像，虚拟源越远，物镜处的光束尺寸越大，焦点越小。光束沿y轴比x轴能更好地充满物镜，从而导致x轴的横向分辨率为0.82µm，y轴的横向分辨率为0.35µm。双光子显微镜观察到的现象证明了钙离子的增加依赖于肌体触发的钠离子作用电势。
WinfriedDenk使用的第1个光源是染料飞秒激光(脉冲宽度100fs，可见光波长630nm)。染料激光虽然实验室演示可以接受，但是使用起来不方便，所以离商业化还很远。很快双光子显微镜的标准光源变成了飞秒钛宝石激光器。钛宝石激光器除了具有固态光源的优点外，还具有近红外波长调谐范围宽，而近红外比可见光穿透更深，对生物样品的损伤更小。下图是Thorlabs的双光子和三光子显微镜配置，钛宝石飞秒可调谐激光器位于平台左侧。从双光子到三光子科学家们正在从双光子显微镜转向三光子显微镜。1996年，ChrisXu在康奈尔大学(Denk的导师实验室)读博时发明了三光子显微镜。如果双光子吸收是可行的，那么三光子似乎是自然的发展方向。三光子成像使用更长的波长，大约1.3和1.7微米，成像深度比双光子更深。目前录音大约2.2毫米，人的大脑皮层厚度大约4毫米。与双光子显微镜相比，三光子需要使用更强、更短、重复率更低的激光脉冲，这是传统的钛宝石激光器很难满足的，但对于掺镱光纤飞秒光参量放大器，比如我们的Y-Fi光参量放大器(OPA)就非常容易。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个方面的提升。国内双光子显微镜图像对比度
双光子显微镜角膜成像。激光双光子显微镜作用
在深度组织中以较长时间对活细胞成像，双光子显微镜是当前之选。双光子和共聚焦显微镜都是通过激光激发样品中的荧光标记，使用探测器测量被激发的荧光。但是，共聚焦一般使用单模光纤耦合激光器，通过单光子激发荧光，而双光子使用飞秒激光器，通过几乎同时吸收两个长波光子激发荧光。双光子激发荧光的主要优势：双光子比共聚焦使用的更长的波长，所以对组织的损伤更小且穿透更深。共聚焦的成像深度一般为100微米，双光子则能达到250到500微米，甚至超过1毫米。另外，同时吸收两个光子意味只有度聚焦点处能被激发，所以不会损伤焦平面之外的组织，并且生成更清晰的图像。激光双光子显微镜作用
