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。多光子激光扫描显微镜采用波长较长的红外激光,能量脉冲式激发,红外光比可见光在生物组织中的穿透力更强。美国激光扫描多光子显微镜数据采集
比较两表格中的相关参数可以看出，基于分子光学标记的成像技术已经在生物活检和基因表达规律方面展示了较大的优势。例如，正电子发射断层成像（PET）可实现对分子代谢的成像，空间分辨率∶1-2mm，时间分辨率;分钟量级。与PET比较，光学成像的应用场合更广（可测量更多的参数，请参见表1-1），且具有更高的时间分辨率（秒级），空间分辨率可达到微米。因此，二者相比，虽然光学成像在测量深度方面不及PET，但在测量参数种类与时空分辨率方面有一定优势。对于小动物（如小白鼠）研究来说，光学成像技术可以实现小动物整体成像和在体基因表达成像。例如，初步研究表明，荧光介导层析成像可达到近10cm的测量深度;基于多光子激发的显微成像技术可望实现小鼠体内基因表达的实时在体成像。美国全自动多光子显微镜数据分析生产和消费的角度分析多光子显微镜的主要生产地区、主要消费地区以及主要的生产商。
作为一个多学科交叉、知识密集、资金密集的高技术产业，多光子显微镜涉及医学、生物学、化学、物理学、电子学、工程学等学科，生产工艺相对复杂，进入门槛较高，是衡量一个国家制造业和高科技发展水平的重要标准之一。过去的5年，多光子显微镜市场集中，由于投产生产的成本较高，技术难度大，目前涌现的新企业不多。显微镜作为一个传统的高科技行业，其作用至今没有被其他技术颠覆，只是不断融合并发展相关技术，在医疗和其他精密检测领域发挥着更大的作用。显微镜的商业化发展已进入成熟期，主要需求来自教学、生命科学的研究及精密检测等，全球市场呈现平缓的增长态势。然而，显微镜产品（如多光子显微镜、电子显微镜）正拉动市场需求，多光子显微镜市场发展潜力巨大。
使用MPM对神经元进行成像时，通过随机访问扫描—即激光束在整个视场上的任意选定点上进行快速扫描—可以只扫描感兴趣的神经元，这样不仅避免扫描到任何未标记的神经纤维，还可以优化激光束的扫描时间。随机访问扫描可以通过声光偏转器（AOD）来实现，其原理是将具有一个射频信号的压电传感器粘在合适的晶体上，所产生的声波引起周期性的折射率光栅，激光束通过光栅时发生衍射。通过射频电信号调控声波的强度和频率从而可以改变衍射光的强度和方向，这样使用1个AOD就可以实现一维横向的任意点扫描，利用1对AOD，结合其他轴向扫描技术可实现3D的随机访问扫描。但是该技术对样本的运动很敏感，易出现运动伪影。目前，快速光栅扫描即在FOV中进行逐行扫描，由于利用算法可以轻松解决运动伪影而被普遍的使用。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。显微镜简史：从光到多光子显微镜。模块化多光子显微镜技术
多光子激光扫描显微镜更能解决生物组织中深层物质的层析成像问题, 扩大了应用范围。美国激光扫描多光子显微镜数据采集
对于双光子(2P)成像，散焦和近表面荧光激发是两个相对较大的深度限制因素，而对于三光子(3P)成像，这两个问题**减少。然而，由于荧光团的吸收截面远小于2P，三光子成像需要更高的脉冲能量才能获得与2P相同激发强度的荧光信号。功能性3P显微镜比结构性3P显微镜要求更高，后者需要更快的扫描速度以便及时采样神经元活动。为了在每个像素的停留时间内收集足够的信号，需要更高的脉冲能量。复杂的行为通常涉及大规模的大脑神经网络，这些网络既有本地连接，也有远程连接。为了将神经元的活动与行为联系起来，需要同时监测***分布的超大型神经元的活动。大脑中的神经网络将在几十毫秒内处理输入的刺激。为了理解这种快速神经元动力学，MPM需要快速成像神经元的能力。快速MPM方法可分为单束扫描技术和多束扫描技术。美国激光扫描多光子显微镜数据采集
