自从胡克发明显微镜以来，显微镜一直是最直接的观察和精细检测的手段。为适应科学技术的发展，显微镜自身也在不断地发展，逐渐形成了一个琳琅满目的显微镜家族，如光学显微镜、紫外显微镜、电子显微镜、超声显微镜等。光学显微镜由于工作于可见光波长内，无论如何提高镜头的精度，也无法分辨被观察物体小于100微米的细节。紫外显微镜由于像差等问题难以解决，在实践中难以应用。而超声显微镜的分辨率还不如普通光学显微镜，只能用于特殊场合或进行物理演示。称雄一时的电子显微镜，早然有很高的分辨本领，但也存在不少难以克服的缺点。例如，电子束要求真空，这就使观察活的、潮湿的生物样品极其困难。高能电子束的轰击，对样品也有明显的损伤。对于本身发光的样品，电子显微镜就无可奈何了。
由于在科学研究和实际应用过程中，人们对显微镜的要求越来越高，上述几种显微镜已远远满足不了科学研究与生产实践的需要，迫使人们寻求其他的方法。经过多年的探索，终于制成了激光显微镜。
X射线激光显微镜
英国威尔士大学医学院的罗伯特·戴维斯博士研制成功的X射线激光显微镜，以波长比可见光短100倍的X光作光源，所以有比可见光显微镜高100倍以上的分辨能力。
使用X射线激光显微镜，可以直接观察生物样品，不必像电子显微镜那样需对样品染色。由于所需X射线剂量很小，因而对样品的辐射损伤也大为减少。利用这种显微镜，能使生物学家直接观察到控制繁殖、抵抗疾病，以及其他许多科学家都期望了解的生理功能的微观过程，能够最精细地揭示活细胞内的微细结构，将为生物学家开辟一个科学发现的新天地。
在X射线激光显微镜中，可使用多种不同的显微镜技术。如接触显微术、扫描显微术、波带板成像术、多膜层反射镜成像术和掠入射光学元件成像术等。这些技术各具特色，以适应不同的要求。例如把一种抗蚀剂的光敏物质作为照相底片，把它放在要观察的样品下，用X射线束曝光，就得到与样品同样大小的X射线照片，即称“X射线接触显影术”。用这种方法，可以拍摄人体血小板的照片；利用波带板成像术，可以拍摄厚度只有几微米的肝细胞截面照片。X射线激光显微镜，还能清晰地显现出红血球单细胞，因而能给医生提供较理想的毛细血管图像。
共焦激光扫描显微镜
由德国卡尔·蔡司公司生产的这种显微镜，把激光光束聚焦到生物样品的某个平面，而把该面前后的离焦光束挡掉。这种被称作“光学截面制图”的技术，可以将不同聚焦程度的图像重迭，焦深很大。系统分辨率达02微米。尤其是它的三维成像能力，使研究人员可以在原生物样品中“旅游”，或确定吸收荧光染色的细胞组织位置。因此可显示活细胞的相互作用，以及DNA或神经网络等细胞物体的三维结构。在对染色体进行分析时，研究人员可在一个正在分裂的细胞扫描场中观察到转变期的整个过程，然后可变焦到某一个染色体，寻找可能的缺陷和断裂。由于许多样品都很娇嫩，不能承受高能激光，所以要求荧光探测用的光电倍增管具有高灵敏度，以免荧光衰退。
这种共焦激光显微镜正用于神经学、遗传学、免疫学、病理学、生物生理学。当然也可以用于工业领域。如陶瓷和金属超精细加工，可用这种显微镜探测到材料表面01微米量级的微小高度起伏。
原子力激光显微镜
扫描隧道显微镜技术曾在1986年荣获诺贝尔物理学奖。这是物理学与计算机结合的产物。它是把电压加到样品和探针上，当探针接触样品时产生隧道电子，其隧道电子数将随样品到探针的间距而改变，目前其纵向和横向分辨率均可达埃（微微微米）级。
在扫描隧道显微镜基础上，美国数字仪器公司又推出了原子力显微镜。该技术是把前者的导体探针改为金刚石针，并使其悬浮在样品表面。利用光学杠杆法进行原子间排斥力的探测，从而给出被测表面的三维数据和图形。
与扫描隧道显微镜相比，原子力X激光显微镜不仅可检测导体，而且可检测绝缘体，并由接触式改进为非接触式。