首先，双光子成像采用波长范围约在700~1000 nm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200~500 μm，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。双光子显微镜工作原理是利用两个光子的能量相加达到荧光激发能量阈值，来激发样品中荧光分子发出荧光信号。美国investigator双光子显微镜作用
双光子吸收理论早在1931年就由诺奖得主MariaGoeppertMayer提出，30年后因为有了激光才得到实验验证，但是到WinfriedDenk发明双光子显微镜又用了将近30年。要理解双光子的技术挑战和飞秒激光发挥的重要作用，首先要了解其中的非线性过程。双光子吸收相当于和频产生非线性过程，这要求极高的电场强度，而电场取决于聚焦光斑大小和激光脉宽。聚焦光斑越小，脉宽越窄，双光子吸收效率越高。对于衍射极限显微镜，聚焦在样品上的光斑大小只和物镜NA和激光波长有关，所以关键变量只剩下激光脉宽。基于以上分析，能够以高重频(100MHz)输出超短脉冲(100fs量级)的飞秒激光器成了双光子显微镜的标准激发光源。这也再次说明双光子显微镜的优势：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激发，所以双光子成像更清晰。国外双光子显微镜光子跃迁双光子显微镜大量运营在实验室当中；
双光子显微镜的应用由于适合动态成像，双光子显微镜一经问世便很快应用于神经科学、遗传发育、药物代谢等领域。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、分子相互作用等进行直接成像监测，而且能够进行光裂解、光转染和光损伤等光学操纵。同时，双光子显微镜能动态监测**在体内的生长和转移，并可对**治疗过程中*细胞的变化进行实时观测和评估。随着光学技术、荧光探针技术、计算机成像技术的发展，双光子显微技术会得到更大提升和更广的应用，未来不仅用于基础研究，也将扩展到临床应用。
配合双光子激发技术，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，被光探头接收，从而能够达到逐点扫描的效果。在深度组织中以较长时间对细胞成像，双光子显微镜是当前之选。
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，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，双光子显微镜是结合了双光子技术和扫描共聚显微镜的一种新型荧光显微镜。美国investigator双光子显微镜作用
双光子显微镜不需要共聚焦细孔，提高了荧光检测效率。美国investigator双光子显微镜作用
随着技术的发展，双光子显微镜的性能不断优化。结合其特点，大致可以分为两个方面:深入和主动改进。为了使激发激光进入更深的层次，可以从器件优化和标本改造两个方面入手。关于器件的优化，我们可以把激光束做得更细，集中能量，让激光穿透得更深。对于样品，物质的吸收和散射是影响光传播的主要因素。为了解决这个问题，我们需要将样本透明化。一种方法是用某种物质浸泡标本，使其中的物质(主要是脂质)被破坏或溶解。另一种方法是通过电泳电解脂类，从而提高标本的“透明度”。美国investigator双光子显微镜作用
