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。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。布鲁克多光子显微镜多光子激发
对于双光子成像而言，离焦和近表面荧光激发是两个比较大的深度限制因素，而对于三光子（3P）成像这两个问题大大减小，但是三光子成像由于荧光团的吸收截面比2P要小得多，所以需要更高数量级的脉冲能量才能获得与2P激发的相同强度的荧光信号。功能性3P显微镜比结构性3P显微镜的要求更高，它需要更快速的扫描，以便及时采样神经元活动；需要更高的脉冲能量，以便在每个像素停留时间内收集足够的信号。复杂的行为通常涉及到大型的大脑神经网络，该网络既具有局部的连接又具有远程的连接。要想将神经元活动与行为联系起来，需要同时监控非常庞大且分布普遍的神经元的活动，大脑中的神经网络会在几十毫秒内处理传入的刺激，要想了解这种快速的神经元动力学，就需要MPM具备对神经元进行快速成像的能力。快速MPM方法可分为单束扫描技术和多束扫描技术。美国在体多光子显微镜数据处理多光子显微镜可以进行深层成像，且具有三维成像的能力，可以应用于拍摄不透明的厚样品。
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是非常必要的。
对于两个远距离(相距1-2mm以上)的成像部位，通常采用两个**的路径进行成像；对于相邻区域，通常使用单个物镜的多个光束进行成像。多光束扫描技术必须特别注意激发光束之间的串扰，这可以通过事后光源分离或时空复用来解决。事后光源分离法是指分离光束以消除串扰的算法；时空复用法是指同时使用多个激发光束，每个光束的脉冲在时间上被延迟，使不同光束激发的单个荧光信号可以暂时分离。引入的光束越多，可以成像的神经元越多，但多束会导致荧光衰减时间重叠增加，从而限制了分辨信号源的能力；并且复用对电子设备的工作速度要求很高；大量的光束也需要较高的激光功率来维持单束的信噪比，这样容易导致组织损伤。4tune光谱检测器，实现多光子显微镜的光谱型检测。
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。多光子显微镜已经被生物学家普遍的运用于实验中。美国高速高分辨率多光子显微镜实验
世界多光子激光扫描显微镜产业主要布局在德国和日本，德国是徕卡显微系统和蔡司。布鲁克多光子显微镜多光子激发
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。布鲁克多光子显微镜多光子激发
