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。从双光子到三光子甚至四光子，这种非线性成像技术通常也被统称为多光子显微镜。美国清醒动物多光子显微镜应用
现代分子生物学技术的迅速发展和科技的进步，特别是随着后基因组时代的到来，人们已经能够根据需要建立各种细胞模型，为在体研究基因表达规律、分子间的相互作用、细胞的增殖、细胞信号转导、诱导分化、细胞凋亡以及新的血管生成等提供了良好的生物学条件。然而，尽管人们利用现有的分子生物学方法，已经对基因表达和蛋白质之间的相互作用进行了深入、细致的研究，但仍然不能实现对蛋白质和基因活动的实时、动态监测。在细胞的生理过程中，基因、尤其是蛋白质的表达、修饰和相万作用往往发生可逆的、动态的变化。目前的分子生物学方法还不能捕获到蛋白质和基因的这些变化，但获取这些信息对与研究基因的表达和蛋白质之间的相互作用又至关重要。因此，发展能用于、动态、实时、连续监测蛋白质和基因活动的方法非常必要。美国荧光多光子显微镜应用多光子显微镜适用于动物大脑皮层深层（400微米）细胞的形态、生理学研究。
某种物质能产生荧光，首要条件是分子必须具有吸收的结构，即生色团（分子中具有吸收特征频率的光能的基团）。其次，该物质必须具有一定的量子产率和适宣的环境。我们把分子中发射荧光的基团称为荧光团。荧光团一定是生色团，但生色团不一定是荧光团。因为，如果生色团的量子产率等于零，就不能发射出荧光，处于激发态的分子，可以由许多方式（如热，碰撞）把能量释放出来，发射荧光只是其中的一种方式。此外，一种物质吸收光的能力及量子产率又与物质所处的环境密切相关。
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12 kHz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。 多光子显微镜作为神经科学重要的研究工具，近年来发展快速，品牌也众多。
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。利用多光子显微镜的多点光ji活能力，我们可以研究多个神经细胞之间的连接和控制。布鲁克多光子显微镜数据分析
多光子显微镜被认为是、完整生物组织成像的手段之一，其成像尺度从分子级别到整个有机体。美国清醒动物多光子显微镜应用
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。美国清醒动物多光子显微镜应用
