在多光子显微镜（也称为非线性或双光子显微镜）中，以两倍正常激发波长照射样品。更长的波长是有利的，因为它们可以更深地穿透样品进行3D成像，并且因为它们不会损坏样品，从而延长样品寿命。为了实现多光子激发，照明光束在空间上聚焦（使用光学器件），同时使用高能短脉冲激发光束以提高两个（或更多）光子同时到达同一位置（即荧光团分子）的概率。多光子显微技术的例子包括二次谐波产生(SHG)、三次谐波产生(THG)、相干反斯托克斯拉曼光谱(CARS)和受激发射耗尽(STED)显微技术。由于这些技术中的每一种都使用脉冲激光器，因此选择能够比较大限度地减少脉冲色散的光学组件很重要，并且激光反射二向色镜应具有低GDD特性。由于光的波长有限，光子显微镜的分辨率受到限制，无法观察到更小的结构和细胞器。美国模块化多光子显微镜供应商
基于多光子显微镜的神经成像技术原理：多光子显微镜可用于深度成像和三维成像，因此可用于拍摄不透明的厚样品。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。双光子显微镜的结构与共焦类似，区别在于：1)双光子显微镜的激发光波长比共焦长，能量较低，但穿透能力较强；2)双光子显微镜没有小孔，提高了检测效率；3)双光子显微镜成像深度较快提高。那么，为什么双光子能具有共焦显微镜所没有的优势呢？原因是它采用双光子激发方式。使用波长较长的激发光子，光子的能量较低，因此电子需要吸收两个这样的激发光子才能达到激发态，从而释放出一个荧光光子。因此，荧光信号的强度与光强的平方成正比。因为焦点处的光强较大，只能在焦点处激发荧光。波长越长，穿透力越强，因此双光子显微镜的成像深度大于共焦显微镜。由于两个光子只在焦点激发荧光，不需要小孔，而是将所有的荧光都收集起来，提高了检测效率。三光子显微镜的原理类似于双光子显微镜，利用三个激发光子可以实现更深的成像深度。由于使用了更长的激发波长，穿透能力更强，成像深度更大。此外，由于较强的非线性效应，荧光信号的强度与光强的立方成正比，因此比双光子具有更低的非聚焦激发和背景噪声。全自动多光子显微镜能量脉冲多光子显微镜的大多数补偿器都采用棱镜。
与传统的单光子宽视野荧光显微镜相比，多光子显微镜（MPM）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。
根据阿贝成像原理，许多光学成像系统是一个低通滤波器，物平面包含从低频到高频的信息，透镜口径会限制高频信息通过，只允许一定的低频通过，因此丢失了高频信息会使成像所得图像的细节变模糊，降低分辨率。对于三维成像来说，宽场照明时得到的信息不仅包含物镜焦平面上样品的部分信息，同时还包含焦平面外的样品信息。由于受到焦平面外的信息干扰，常规荧光显微镜无法获得层析图像。三维结构光照明显微镜能够提高分辨率、获得层析图像，是因为利用特定结构的照明光能引入样品的高频信息，当结构光的空间频率足够高时，只有靠近焦面的部分才能被结构光调制，超出这一区域，逐渐转变为均匀照明，也就是只有焦面附近的有限区域具有相对完整的频谱信息，离焦后，高频信息迅速衰减，所以使用高频结构光照明可以区分焦面和离焦区域来获得层析图像。然后再通过轴向扫描可以获取样品不同深度的焦面图像，重建样品的三维结构。多光子显微镜已经被生物学家普遍的运用于实验中。
单光子激发荧光和双光子激发荧光，是从荧光产生的机理上来区分的。而共焦则是荧光显微镜的一种结构，其目的是为了，通过共焦结构，提高整个荧光显微镜的空间分辨率。所以共焦荧光显微镜可以根据激发光源的不同，实现单光子共焦荧光成像或者双光子共焦荧光成像。往往一个普通的双光子荧光显微镜（没有共焦结构）其空间分辨率也可以达到单光子共焦荧光显微镜的水平。这样就可以简化整个系统，相对来说，就提高了激发光源的利用率，以及荧光的探测效率，这个也是我们提倡双光子荧光成像的原因之一。双光子荧光共焦显微镜由于双光子效应和共焦结构，分辨率则会更高，而我们通常说的共焦显微镜都是指单光子激发荧光的。目前中国显微镜中如多光子显微镜、共聚焦扫描和电子显微镜等。美国在体多光子显微镜原理
多光子显微镜，实现无创、无标记的生物组织观测方案。美国模块化多光子显微镜供应商
因斯蔻浦(上海)生物科技有限公司双光子显微镜的基本原理是：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，在经过一个很短的所谓激发态寿命的时间后，发射出一个波长较短的光子；其效果和使用一个波长为长波长一半的光子去激发荧光分子是相同的。双光子激发需要很高的光子密度，为了不损伤细胞，双光子显微镜使用高能量锁模脉冲激光器。这种激光器发出的激光具有很高的峰值能量和很低的平均能量，其脉冲宽度只有100飞秒，而其周期可以达到80至100兆赫兹。在使用高数值孔径的物镜将脉冲激光的光子聚焦时，物镜的焦点处的光子密度是比较高的，双光子激发只发生在物镜的焦点上，所以双光子显微镜不需要共聚焦***，提高了荧光检测效率。美国模块化多光子显微镜供应商
