在一般的荧光现象中，由于激发光的光子密度低，一个荧光分子只能同时吸收一个光子，再通过辐射跃迁发射一个荧光光子，这就是单光子荧光。对于以激光为光源的荧光激发过程，则可能产生双光子甚至多光子荧光现象，这时所用的激发光源强度高，光子密度满足荧光分子同时吸收两个光子的要求。以一般的激光为激发光源的过程中，光子密度仍然不足以产生双光子吸收现象，通常采用飞秒脉冲激光器，其瞬时功率可以达到兆瓦量级。因此，双光子荧光的波长比激发光的波长短，相当于半激发波长激发产生的效果。
