光学显微镜从1590年发明以来，不断发展，促进生命科学日新月异的发现，帮助人类逐层打开生命本质的大门。同时，生命科学的发展不断给光学显微镜提出新的要求，促使成像理论和技术持续更新迭代。科学进入21世纪，人们已经不满足于在体外研究细胞和组织，需要能够更真实地探索生命，在体内实时观察细胞的发生和变化。此时，双光子显微镜进入了科学家的视野。在高光子密度的情况下，荧光分子可以同时吸收两个长波长的光子，然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（图1）。如烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH），在单光子激发时，在波长为350nm光的激发下发出450nm荧光；而在双光子激发时，可采用700nm的激发光得到450nm荧光。这种双光子显微镜的视场是普通显微镜的10倍。国内ultima双光子显微镜的成像视野
双光子显微镜为什么穿透能力强？因为组织对可见光区域的较强吸收和散射带来两个严重的问题第1个是激发光的减弱，第2个就是另外就是由于物镜本身光的光学特性，单光子激发的背景较强，所以才有共聚焦系统提高成像的分辨率因为组织对可见光区域的较强吸收和散射带来两个严重的问题第1个是激发光的减弱，第2个就是另外就是由于物镜本身光的光学特性，单光子激发的背景较强，所以才有共聚焦系统提高成像的分辨率刚好双光子在这两点具有很大的优势上面的内容基本在谈到双光子优势都会相对说明，在实际操作中成像的深度和样品的关系很大，双光子成像利用高亮度的荧光标记材料，已经有做到mm级别的穿透深度国内ultima双光子显微镜的成像视野于双光子激发需要两个光子同时到达，因此只有在焦点附近的样品区域才会激发，从而实现三维成像和高分辨率。
双光子显微镜的优势：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。下面是两种技术的对比图。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较强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。
利用钙成像技术记录大脑活动，随着功能光学成像技术的发展，神经学家们已经可以研究脑区和神经元内部的工作情况。功能钙成像技术就是其中之一，其主要原理是将外源性荧光信号和生理现象耦合起来——通过荧光染料信号的改变反映细胞内游离钙离子浓度，以此细胞的功能状态。目前它被广泛应用于实时监测一群相关神经元内钙离子的变化，从而判断其功能活动。该技术的出现使得科学家可以亲眼目睹神经信号在神经网络之中时间和空间上的传递穿梭。双光子显微镜结合了双光子激发技术和激光扫描共聚显微镜。
双光子显微镜是一种先进的成像技术，能够实现细胞或组织的深层观察。它的主要特点是使用双光子激发来产生荧光，从而实现对生物样品的高分辨率成像。双光子显微镜的工作原理是利用激光的脉冲宽度极窄的特性，将高能激光束聚焦到生物样品中，激发出荧光。这个过程需要使用一个特殊的双光子激发源，它能够将一个光子转换为两个光子，其中一个光子用于激发荧光，另一个光子则用于成像。双光子显微镜具有以下优点：高分辨率：由于双光子激发的特性，可以实现对生物样品的高分辨率成像，特别是对于深层组织的观察。穿透深度大：双光子激光的波长较长，能够更好地穿透生物组织，从而实现对深层细胞的观察。荧光寿命长：双光子激发产生的荧光寿命比单光子激发产生的荧光寿命长，这使得双光子显微镜能够更好地区分不同的荧光标记物。减少光毒性：由于双光子激发的能量较低，因此对生物样品的损伤较小，可以减少光毒性。总之，双光子显微镜是一种非常有用的成像技术，可以用于生物学、医学、材料科学等领域的研究。双光子显微镜角膜成像。美国激光荧光双光子显微镜授权公司
双光子显微镜使用高能量锁模脉冲激光器。国内ultima双光子显微镜的成像视野
新一代微型化双光子荧光显微成像系统的成功研制是国家重大科研仪器研制专项的一个硕果。它彰显了北京大学在生物医学成像领域先期布局的前瞻性，锻炼了一支以年轻PI和硕博研究生为主体、具有学科交叉背景和重要技术创新能力的“中国智造”队伍。目前，该研发团队正在领衔建设“多模态跨尺度生物医学成像”十三五国家重大科技基础设施，积极参与即将启动的中国脑科学计划。可以期待，微型化双光子荧光显微成像系统将为实现“分析脑、理解脑、模仿脑”的战略目标发挥不可或缺的重要作用国内ultima双光子显微镜的成像视野
