本发明公开了一种超高分辨率非线性光学显微系统，本发明涉及激光检测领域，该系统结合非线性光学技术和受激发射减损显微技术，采用一束波长较长的短脉冲红外激光作为多光子激发光源，另外一束同步短脉冲激光泵浦倍频泵浦光参量振荡器，产生的宽调谐范围的超短激光脉冲经单模光纤，脉冲宽度拉伸至200ps，作为受激发射减损光源，激发光用于激发荧光分子，受激发射减损光将激发光斑焦点外围的荧光猝灭，使非线性光学显微系统得以突破光波衍射极限。在本发明中，非线性光学采用波长较长的红外激光作为多光子激发光源，其受散射影响小，故穿透深度要高，有利于生物活体组织的超高分辨层析成像。