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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(tuán)隊(duì)在物理學(xué)頂級(jí)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(yùn)算與單光子成像技術(shù)的量子暗場(chǎng)顯微鏡，為探索未知的生命細(xì)節(jié)開(kāi)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(gè)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(dòng)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(dòng)相適應(yīng)，對(duì)其特征識(shí)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?yàn)樗鼈儍H影響輸入光場(chǎng)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(guò)增加照明光的強(qiáng)度有效降低環(huán)境噪聲的影響。但對(duì)于光敏生物樣品，傳統(tǒng)顯微成像技術(shù)面臨一個(gè)關(guān)鍵困難：大的光照強(qiáng)度會(huì)導(dǎo)致樣品的生物物理?yè)p傷。

圖1.（a）量子暗場(chǎng)顯微成像實(shí)驗(yàn)裝置圖。(b)不同泵浦功率下信號(hào)端（紅線）、預(yù)示端（綠線）和兩者之間的符合（藍(lán)線）光子計(jì)數(shù)。（c）符合光子計(jì)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(tuán)隊(duì)將光學(xué)模擬運(yùn)算和單光子成像技術(shù)結(jié)合，提出并實(shí)驗(yàn)證明了全新的量子暗場(chǎng)顯微鏡。光學(xué)模擬計(jì)算是指用光學(xué)的方法對(duì)光場(chǎng)分布執(zhí)行數(shù)學(xué)上的運(yùn)算?；诩?xì)胞散射光內(nèi)稟的光學(xué)微分運(yùn)算，對(duì)光場(chǎng)相位分布進(jìn)行微分運(yùn)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(duì)相位分布作微分運(yùn)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(qiáng)的靈敏度使其能夠探測(cè)到單個(gè)光子。單光子探測(cè)器可以對(duì)單個(gè)光子進(jìn)行計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)極微弱信號(hào)成像，有效濾除了時(shí)域上不重疊的環(huán)境噪聲。單光子觸發(fā)探測(cè)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(duì)比度，避免對(duì)光敏細(xì)胞的生物物理?yè)p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(chǎng)像和直接暗場(chǎng)像。(c)和(d)由單光子觸發(fā)的量子明場(chǎng)像和暗場(chǎng)像。(e)-(h)分別沿(a)-(d)中的白色虛線提取的強(qiáng)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(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（61835004）、面上項(xiàng)目（12174097）支持。

文章鏈接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.128.193601