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（如下图）。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750nm的激发光得到450nm荧光。由于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，从而可以减少光漂白和光毒性带来的不利影响。双光子显微镜还可以对一些具有特性的染料细胞进行实验，还有一些短波长可以利用双光子特性进行特定实验。国内ultima双光子显微镜授权公司
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。国外bruker双光子显微镜代理商双光子显微镜在组织透明化成像中应用。
在传统宽场显微镜中，来自标本不同纵深的光线都可投射到同一焦平面（感光元件）上，所以其成像是整个样品的重叠像，没有纵向分辨能力。单光子激光共聚焦显微镜用***有效滤除了杂散光，分辨率有了本质上的提高，拥有了对样品的特定焦平面精细成像的能力，可以进行三维成像、动态成像等。然而，***在滤除杂散光的同时也将大部分来自焦平面的荧光滤除了，只有很弱的荧光到达检测器。若要提高信号强度，需要加大激发光功率，这又会导致对活细胞的光毒性和荧光分子的光漂白增加。双光子显微镜比较大的优势来源于其双光子光源的非线性光学效应，与单光子共聚焦显微镜比较大的不同在于无须使用***限制光学散射，其具体优势如下。
1.生物组织对红外光的吸收弱，对可见光吸收强。类似的，平时用手电筒照射手指，会看到手通透红亮，也是由于生物组织对长波长的红光吸收少。2.生物组织对红外光的散射弱。因为瑞利散射的强度反比于波长λ的四次方。类似的，早晨的太阳非常红，也就是因为长波长的红光穿透力更强。这两点共同导致长波长的红外光比可见光对生物组织的穿透能力强。与单光子显微镜（如共聚焦显微镜）相比，双光子显微镜可以使用约二倍波长的激光去激发荧光团。长波长光束散射程度低(RayleighScattering)，所以穿透能力强。双光子显微镜在生物医学研究中有广泛的应用，可以观察细胞内的亚细胞结构、蛋白质分布、细胞活动等。
像差问题一直困扰着光学领域的工作者。像差会使光波前发生形变，不仅降低成像的信噪比和分辨率，使得很多时候我们只能“雾里看花”，更甚者，产生赝像，或无法获得有意义的图像。像差问题对双光子成像的影响尤为严重，因为在那里，荧光信号对入射光强度的依赖是平方关系，一旦入射光波前形变，不仅聚焦强度大幅下降，成像分辨率也急剧恶化。因此，如何解决像差问题，实现，例如小鼠大脑皮层，深层区域的高质量成像成为光学成像发展中相当有挑战性的问题之一。优势来源于其双光子光源的非线性光学效应。ultima双光子显微镜授权商
双光子显微镜成像技术及不同转基因小鼠开展对多种脏器的成像研究。国内ultima双光子显微镜授权公司
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双光子显微镜授权公司
