Absorbția cu doi fotoni este un proces în care un electron dintr- o moleculă sau atom, ca urmare a absorbției a doi fotoni de radiație externă, trece de la o stare legată la alta. În acest caz, diferența de energie dintre stările unui electron este egală cu suma energiilor a doi fotoni. Deoarece probabilitatea de absorbție a unui foton este proporțională cu intensitatea luminii excitante, iar probabilitatea de absorbție a doi fotoni într-un eveniment elementar este proporțională cu pătratul intensității luminii, la intensitate mare a luminii, absorbția a doi fotoni poate deveni predominant.