量子暗场显微镜

近日，湖南大学物理与微电子科学学院罗海陆/文双春教授团队在物理学顶级期刊《Physical Review Letters》上发表题为 “Intrinsic Optical Spatial Differentiation Enabled Quantum Dark-Field Microscopy”的文章：结合光学模拟运算与单光子成像技术的量子暗场显微镜，为探索未知的生命细节开拓了新思路。

光学显微镜是我们探索微观世界的重要工具，已经成为现代光学领域一个充满活力的研究方向。在微观世界中，细胞是生命体的结构单元，也是生命活动的基本单位。 生物细胞的大小、形态以及结构特征与细胞的功能和活动相适应，对其特征识别技术的研究是生命科学的基础，也是现代生命科学的发展支柱。大多数生物细胞是微小透明的，通常情况下可看作是纯相位物体，因为它们仅影响输入光场的相位而不是振幅。纯相位物体的散射光非常弱，使得从压倒性的输入光背景中揭示其透明结构变得极具挑战性。传统显微镜的灵敏度和分辨率从根本上受到环境噪声的限制，可以通过增加照明光的强度有效降低环境噪声的影响。但对于光敏生物样品，传统显微成像技术面临一个关键困难：大的光照强度会导致样品的生物物理损伤。

图1 （a）量子暗场显微成像实验装置图。(b)不同泵浦功率下信号端（红线）、预示端（绿线）和两者之间的符合（蓝线）光子计数。（c）符合光子计数和偏振角之间的关系。

为克服上述困难与挑战，罗海陆/文双春教授团队将光学模拟运算和单光子成像技术结合，提出并实验证明了全新的量子暗场显微镜。光学模拟计算是指用光学的方法对光场分布执行数学上的运算。基于细胞散射光内禀的光学微分运算，对光场相位分布进行微分运算。纯相位物体的重要特征主要体现在相位分布的局部变化，对相位分布作微分运算可以提取透明细胞的特征。单光子触发成像是一种超低噪声的成像技术，增强的灵敏度使其能够探测到单个光子。单光子探测器可以对单个光子进行计数，实现对极微弱信号成像，有效滤除了时域上不重叠的环境噪声。单光子触发探测成像方法大幅提升了少数光子条件下的成像信噪比和对比度，避免对光敏细胞的生物物理损伤。

图2 透明生物细胞的量子显微成像结果。（a）和（b）内部触发ICCD的直接明场像和直接暗场像。(c)和(d)由单光子触发的量子明场像和暗场像。(e)-(h)分别沿(a)-(d)中的白色虚线提取的强度分布。

我校物理与微电子科学学院为该工作的唯一完成单位，博士生刘佳威为第一作者，罗海陆教授为通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金重点项目（61835004）、面上项目（12174097）支持。（来源：湖南大学）