双光子荧光显微成像主要有以下优点:a.光损伤小:双光子荧光显微以可见光或近红外光为激发光，对细胞和组织的光损伤小，适合长期研究；b.穿透力强:与紫外光、可见光或近红外光相比，穿透力强，可用于生物样品的深入研究；c.高分辨率:由于双光子吸收截面很小P，荧光只能在焦平面很小的区域激发，双光子吸收被限制在焦点λ左右的体积内；d.漂白区域很小，焦点外不发生漂白。E.高荧光收集率与共焦成像相比，双光子成像不需要滤光片，提高了荧光收集率。采集效率的提高直接导致图像对比度的提高。F.对探测光路要求低。由于激发光和发射荧光的波长差越来越大，加上自发三维滤波效应，多光子显微镜对光路采集系统的要求远低于单光子共焦显微镜，光学系统也相对简单。G.适用于多标签复合测量许多染料荧光探针的多光子激发光谱比单光子激发光谱更宽，从而可以用单一波长的激发光同时激发多种染料，获得同一生命现象的不同信息，便于相互比较和补充。多光子显微镜可以更好的了解神经信号之间复杂动态的编码过程。美国多光子显微镜配置
与传统的单光子宽视野荧光显微镜相比，多光子显微镜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。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。高速高分辨率多光子显微镜实验高能短脉冲激光，多光子显微镜实现超快、超高清成像速度。
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。
细胞在受到外界刺激时，随着刺激时间的增长，即使刺激继续存在，Ca2+荧光信号不但不会继续增强，反而会减弱，直至恢复到未加刺激物时的水平。对于细胞受精过程中Ca2+荧光信号的变化情况，研究发现，配了在粘着过程中，Ca2+荧光信号未发生任何变化，而配子之间发生融合作用时，Ca2+荧光信号强度却会出现一个不稳定的峰值，并可持续几分钟。这些现象，对研究受精发育的早期信号及Ca2+在卵细胞和受精卵的发育过程中的作用具有重要的意义。在其它一些生理过程如细胞分裂、胞吐作用等，Ca2+荧光信号强度也会发生很的变化。多光子显微镜，实现无创、实时、动态的生物组织观测。
Ca2+是一种重要的第二信使，在调节细胞生理反应中起着重要作用。发展和利用双光子荧光显微成像技术观测Ca2+荧光信号，可以从某些方面分析生物体或细胞的变化机制，具有重要意义。利用双光子荧光显微成像技术，我们可以观察到细胞内荧光探针标记的Ca2*的时间和空间荧光图像的变化，也可以观察到一定水平或部分细胞内(Ca2+)的荧光图像和变化。通过对单个细胞的研究发现，Ca2+的分布不仅在细胞的局部区域之间是不均匀的，而且在细胞内不同深度或层次的局部区域之间也存在不同程度的Ca2+梯度，称为空间Ca2+梯度。高速扫描和高分辨率的完美结合，多光子显微镜提高样品处理速度和精度。全自动多光子显微镜
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对于双光子(2P)成像，散焦和近表面荧光激发是两个相对较大的深度限制因素，而对于三光子(3P)成像，这两个问题**减少。 然而，由于荧光团的吸收截面远小于2P，三光子成像需要更高的脉冲能量才能获得与2P相同激发强度的荧光信号。 功能性3P显微镜比结构性3P显微镜要求更高，后者需要更快的扫描速度以便及时采样神经元活动。 为了在每个像素的停留时间内收集足够的信号，需要更高的脉冲能量。 复杂的行为通常涉及大规模的大脑神经网络，这些网络既有本地连接，也有远程连接。 为了将神经元的活动与行为联系起来，需要同时监测* * *分布的超大型神经元的活动。 大脑中的神经网络将在几十毫秒内处理输入的刺激。 为了理解这种快速神经元动力学，MPM需要快速成像神经元的能力。 快速MPM方法可分为单束扫描技术和多束扫描技术。 美国多光子显微镜配置
