前沿进展 | 基于光学模拟运算的量子暗场显微镜

“前沿进展”栏目，旨在介绍科研人员在光学领域发表的具有重要学术、应用价值的论文，促进研究成果的传播。部分论文将推荐参与“中国光学十大进展”评选。

01 导读

近日，湖南大学罗海陆/文双春教授团队结合光学模拟运算与单光子成像技术，提出并实现量子暗场显微镜，为探索未知的生命细节开拓了新思路。相关成果以“Intrinsic Optical Spatial Differentiation Enabled Quantum Dark-Field Microscopy”为题于2022年5月13日发表在Physical Review Letters上。2022 | 前沿进展

02 研究背景

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。这类样本被称为相位物体，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结构变得极具挑战性。传统使用的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。

因此，传统的显微成像技术面临一个关键困难：对于光敏生物样品，大的光照强度会导致样品的生物物理损伤。

03 研究创新点

为克服上述挑战与困难，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。基于细胞散射光场的内禀性质，可以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基本特征。基于量子的偏振纠缠特性，在不改变成像光路的情况下，通过调节触发端的偏振态，实现对物体明场和暗场成像之间的切换。实验装置图及成像模式远程“开关”原理分别如图1 (a) 和图1 (b)所示。图1 （a）量子暗场显微成像实验装置图；(b) 基于量子纠缠特性实现明场和暗场成像模式的远程“开关”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，实现对极微弱信号的探测，有效滤除了时域上不重叠的环境噪声。量子显微成像结果如图2所示，图2 (a)-(d) 分别对比了直接成像方式和触发探测的成像方式下的明场和暗场实验结果，由图2 (e)-(h)可以看到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的直接明场图像和直接暗场图像。(c) 和 (d) 由单光子触发的量子明场图像和量子暗场图像。(e)-(h) 分别沿 (a)-(d) 中的白色提取的强度分布

04 总结与展望

该团队提出并实现了一种结合光学模拟运算与单光子成像技术的量子暗场显微镜，在超低光子水平实现对透明细胞的高对比度、高信噪比成像，避免对光敏细胞的生物物理损伤。此外，基于量子偏振纠缠特性，可以实现明场和暗场成像模式的远程切换。这一研究成果有望应用于生物成像领域，探索前所未知的生命细节。

论文第一作者为湖南大学博士研究生刘佳威，通讯作者为罗海陆教授。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。

论文链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.128.193601本文来源：课题组供稿推荐阅读：

编辑 | 方紫璇

END

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