Ca2+是重要的第二信使，对于调节细胞的生理反应具有重要的作用，开发和利用双光子荧光显微成像技术对Ca2+荧光信号进行观测，可以从某些方面对有机体或细胞的变化机制进行分析，具有重要的意义。利用双光子荧光显微成像技术可以观察细胞内用荧光探针标记的 Ca2*的时间和空间的荧光图像的变化，还可以观察细胞某一层面或局部的（Ca2+）荧光图像和变化。通过对单细胞的研究发现，Ca2+不仅在细胞局部区域间的分布是不均匀的，而且细胞内各局部区域的不同深度或层次间也存在不同程度的 Ca2+梯差即所谓的空间 Ca2梯差。点扫描多光子显微镜可以深入样本并捕捉高质量的图像，但这个过程极其缓慢，因为图像是一次形成一个点。激光扫描多光子显微镜Ultima Investigator
与传统的单光子宽场荧光显微镜相比，多光子显微镜(MPM)具有光学切片和深度成像的功能，极大地促进了研究人员对整个大脑深部神经的认识。2019年，JeromeLecoq等从脑深部神经元成像、大数量神经元成像、高速神经元成像三个方面讨论了相关的MPM技术。为了将神经元活动与复杂行为联系起来，通常需要对大脑皮层深处的神经元进行成像，这就要求MPM具备深度成像的能力。激发光和发射光会被生物组织高度散射和吸收，这是限制MPM成像深度的主要因素。虽然增加激光强度可以解决散射问题，但会带来其他问题，如烧焦样品、散焦和近表面荧光激发。增加MPM成像深度的比较好方法是使用更长的波长作为激发光。另外，对于双光子（2P）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。 布鲁克多光子显微镜Ultima Investigator多光子显微镜在基础科学和临床诊断领域的应用范围正在持续增长。
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。
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。多光子显微镜作为一种研究微观结构和功能的技术，在众多领域得到了普遍的应用。
多光子激发的特点。激发波长∶两个或多个光子同时激发，激发波长是单光子激发波长的两倍或多倍（i.e.红光能激发UV探针）。多光子激发∶依赖于多个光子同时到达的时间。使用脉冲飞秒激光器（i.e.10-16 seconds），且能提供更高的峰值功率。荧光限制在焦点处，能满足多个光子同时达到产生多光子吸收。荧光强度正比于（激光强度）n。为什么使用飞秒激光器?多光子激发需要超快的激光器，皮秒脉冲不能实现三光子激发。深度成像需要更高、更窄脉冲输出功率。多光子激发光源处于近红外区，对细胞毒性和光漂白更小。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。美国飞秒激光多光子显微镜成像分辨率
多光子显微镜可以更好的了解神经信号之间复杂动态的编码过程。激光扫描多光子显微镜Ultima Investigator
对两个远距离（相距大于1-2 mm）的成像部位，通常使用两条单独的路径进行成像；对于相邻区域，通常使用单个物镜的多光束进行成像。多光束扫描技术必须特别注意激发光束之间的串扰问题，这个问题可以通过事后光源分离方法或时空复用方法来解决。事后光源分离方法指的是用算法来分离光束消除串扰；时空复用方法指的是同时使用多个激发光束，每个光束的脉冲在时间上延迟，这样就可以暂时分离被不同光束激发的单个荧光信号。引入越多路光束就可以对越多的神经元进行成像，但是多路光束会导致荧光衰减时间的重叠增加，从而限制了区分信号源的能力；并且多路复用对电子设备的工作速率有很高的要求；大量的光束也需要更高的激光功率来维持近似单光束的信噪比，这会容易导致组织损伤。激光扫描多光子显微镜Ultima Investigator
