近日,湖南大學(xué)物理與微電子科學(xué)學(xué)院羅海陸/文雙春教授團隊在物理學(xué)頂級期刊《Physical Review Letters》上發(fā)表題為 “Intrinsic Optical Spatial Differentiation Enabled Quantum Dark-Field Microscopy”的文章:結(jié)合光學(xué)模擬運算與單光子成像技術(shù)的量子暗場顯微鏡,為探索未知的生命細(xì)節(jié)開拓了新思路。
光學(xué)顯微鏡是我們探索微觀世界的重要工具,已經(jīng)成為現(xiàn)代光學(xué)領(lǐng)域一個充滿活力的研究方向。在微觀世界中,細(xì)胞是生命體的結(jié)構(gòu)單元,也是生命活動的基本單位。 生物細(xì)胞的大小、形態(tài)以及結(jié)構(gòu)特征與細(xì)胞的功能和活動相適應(yīng),對其特征識別技術(shù)的研究是生命科學(xué)的基礎(chǔ),也是現(xiàn)代生命科學(xué)的發(fā)展支柱。
大多數(shù)生物細(xì)胞是微小透明的,通常情況下可看作是純相位物體,因為它們僅影響輸入光場的相位而不是振幅。純相位物體的散射光非常弱,使得從壓倒性的輸入光背景中揭示其透明結(jié)構(gòu)變得極具挑戰(zhàn)性。傳統(tǒng)顯微鏡的靈敏度和分辨率從根本上受到環(huán)境噪聲的限制,可以通過增加照明光的強度有效降低環(huán)境噪聲的影響。但對于光敏生物樣品,傳統(tǒng)顯微成像技術(shù)面臨一個關(guān)鍵困難:大的光照強度會導(dǎo)致樣品的生物物理損傷。
圖1.(a)量子暗場顯微成像實驗裝置圖。(b)不同泵浦功率下信號端(紅線)、預(yù)示端(綠線)和兩者之間的符合(藍線)光子計數(shù)。(c)符合光子計數(shù)和偏振角之間的關(guān)系。
為克服上述困難與挑戰(zhàn),羅海陸/文雙春教授團隊將光學(xué)模擬運算和單光子成像技術(shù)結(jié)合,提出并實驗證明了全新的量子暗場顯微鏡。光學(xué)模擬計算是指用光學(xué)的方法對光場分布執(zhí)行數(shù)學(xué)上的運算?;诩?xì)胞散射光內(nèi)稟的光學(xué)微分運算,對光場相位分布進行微分運算。純相位物體的重要特征主要體現(xiàn)在相位分布的局部變化,對相位分布作微分運算可以提取透明細(xì)胞的特征。
單光子觸發(fā)成像是一種超低噪聲的成像技術(shù),增強的靈敏度使其能夠探測到單個光子。單光子探測器可以對單個光子進行計數(shù),實現(xiàn)對極微弱信號成像,有效濾除了時域上不重疊的環(huán)境噪聲。單光子觸發(fā)探測成像方法大幅提升了少數(shù)光子條件下的成像信噪比和對比度,避免對光敏細(xì)胞的生物物理損傷。
圖2.透明生物細(xì)胞的量子顯微成像結(jié)果。(a)和(b)內(nèi)部觸發(fā)ICCD的直接明場像和直接暗場像。(c)和(d)由單光子觸發(fā)的量子明場像和暗場像。(e)-(h)分別沿(a)-(d)中的白色虛線提取的強度分布。
湖南大學(xué)物理與微電子科學(xué)學(xué)院為該工作的唯一完成單位,博士生劉佳威為第一作者,羅海陸教授為通訊作者。該工作得到了國家自然科學(xué)基金重點項目(61835004)、面上項目(12174097)支持。
文章鏈接:https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.128.193601
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