エネルギーの低い長波長の光を吸収、励起された状態となり、さらに同じ波長の光を吸収しあたかも１/２、１/３の波長の光で励起されたようになる非線形現象のことをいいます。
紫外領域の波長励起により発光する蛍光試料を近赤外領域の波長で多光子励起し、蛍光が観察される例を以下に示しました。

1)レーザーOFF

2)レーザーON
通常の励起による発光ではレーザーの光路が観察されますが、多光子励起による非線形現象が起こっているため、レーザーの焦点位置（対物レンズの焦点位置）でのみ発光していることが観察されます。

２光子励起による観察例