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，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，需要明显提高2PM的成像速率。目前主要使用的多光子显微镜包括双光子显微镜和三光子显微镜。美国全自动多光子显微镜峰值功率密度
多光子激发在紫外成像的优势在可见光脉冲中能得到紫外衍射的显微观察像。即使不使用紫外域光源、光学元件用可见光源、光学元件就能得到紫外光激励的高空间分辨率图像。多光子在生物成像中的优势在生物显微镜观察方面，较早考虑的是不损坏生物本身的活性状态，维持水分、离子浓度、氧和养分的流通。在光观察场合，无论是热还是光子能量方面都必须停留在细胞不受损伤的照射量、光能量内。多光子显微镜则能够满足此，而且还具有很多优点。如三维分辨率、深度侵入、在散射效率、背景光、信噪比、控制等方面，均有以往激光显微镜不具备，或具有无法比拟的超越特性。美国全自动多光子显微镜峰值功率密度全球多光子显微镜主要生产地区分析，包括产量、产值份额等。
多光子激光扫描显微镜行业发展，世界多光子激光扫描显微镜产业主要布局在德国和日本，德国是以徕卡显微系统和蔡司为，而日本以尼康和奥林巴斯公司为，2020年，上述企业占据着世界多光子激光扫描显微镜市场64.44%的市场份额，其发展战略左右着多光子激光扫描显微镜市场的走向。目前世界市场对多光子激光扫描显微镜的需求在增长，中国市场这方面的需求增长更快，未来五年多光子激光扫描显微镜市场的发展在中国将具有很大的发展潜力。
单光子激发荧光的过程，就是荧光分子吸收一个光子，从基态跃迁到激发态，跃迁以后，能量较大的激发态分子，通过内转换把部分能量转移给周围的分子，自己回到比较低电子激发态的比较低振动能级。处于比较低电子激发态的比较低振动能级的分子的平均寿命大约在10s左右。这时它不是通过内转换的方式来消耗能量，回到基态，而是通过发射出相应的光量子来释放能量，回到基态的各个不同的振动能级时，就发射荧光。因为在发射荧光以前已经有一部分能量被消耗，所以发射的荧光的能量要比吸收的能量小，也就是荧光的特征波长要比吸收的特征波长来的长。多光子显微镜，突破光学成像技术极限，开启生命科学新纪元。
有许多方法可以实现快速光栅扫描，例如使用振镜进行快速2D扫描，以及将振镜与可调电动透镜相结合进行快速3D扫描。而可调电动式镜头由于机械惯性的限制，无法在轴向快速切换焦点，影响成像速度。现在它可以被空间光调制器(SLM)取代。远程对焦也是实现3D成像的一种手段，如图2所示。LSU模块中，扫描振镜水平扫描，ASU模块包括物镜L1和反射镜M，通过调整M的位置实现轴向扫描该技术不仅可以校正主物镜L2引入的光学像差，还可以进行快速轴向扫描。为了获得更多的神经元成像，可以通过调整显微镜的物镜设计来放大FOV。然而，大NA和大FOV的物镜通常很重，不能快速移动以进行快速轴向扫描，因此大FOV系统依赖于远程聚焦、SLM和可调电动透镜。多光子显微镜，实现无创、无标记的生物组织观测方案。美国全自动多光子显微镜峰值功率密度
多光子显微镜在临床前评价IA形态、细胞外基质、细胞密度和血管形成等方面显示出强大的作用。美国全自动多光子显微镜峰值功率密度
当激光光束焦点的位置在镜面上，此时被反射的激光在无限空间中成为准直光束，并在OBJ2的焦平面上形成了一个激光光斑。同理，如果横向扫描光束，则会形成远离倾斜镜镜面的焦点，这又导致返回的光束会聚或发散，进而OBJ2能在轴向不同位置形成焦点，通过这种方式即能实现连续的轴向扫描。对于较小的倾斜角，聚焦没有球差。该组在实验中表征了这种将横向扫描转换为轴向扫描技术的光学性能，并使用它将光片显微镜的成像速度提升了一个数量级，从而可以在三个维度上量化快速的囊泡动力学。该组还演示了使用双光子光栅扫描显微镜以12kHz进行共振远程聚焦，该技术可对大脑组织和斑马鱼心脏动力学进行快速成像，并具有衍射极限的分辨率。美国全自动多光子显微镜峰值功率密度
