近日，湖南大學物理與微電子科學學院羅海陸/文雙春教授團隊在物理學頂級期刊《Physical Review Letters》上發表題為 “Intrinsic Optical Spatial Differentiation Enabled Quantum Dark-Field Microscopy”的文章：結合光學模擬運算與單光子成像技術的量子暗場顯微鏡，為探索未知的生命細節開拓了新思路。
光學顯微鏡是我們探索微觀世界的重要工具，已經成為現代光學領域一個充滿活力的研究方向。在微觀世界中，細胞是生命體的結構單元，也是生命活動的基本單位。 生物細胞的大小、形態以及結構特征與細胞的功能和活動相適應，對其特征識別技術的研究是生命科學的基礎，也是現代生命科學的發展支柱。
大多數生物細胞是微小透明的，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構變得極具挑戰性。傳統顯微鏡的靈敏度和分辨率從根本上受到環境噪聲的限制，可以通過增加照明光的強度有效降低環境噪聲的影響。但對于光敏生物樣品，傳統顯微成像技術面臨一個關鍵困難：大的光照強度會導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）、預示端（綠線）和兩者之間的符合（藍線）光子計數。（c）符合光子計數和偏振角之間的關系。
為克服上述困難與挑戰，羅海陸/文雙春教授團隊將光學模擬運算和單光子成像技術結合，提出并實驗證明了全新的量子暗場顯微鏡。光學模擬計算是指用光學的方法對光場分布執行數學上的運算。基于細胞散射光內稟的光學微分運算，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胞的特征。
單光子觸發成像是一種超低噪聲的成像技術，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，實現對極微弱信號成像，有效濾除了時域上不重疊的環境噪聲。單光子觸發探測成像方法大幅提升了少數光子條件下的成像信噪比和對比度，避免對光敏細胞的生物物理損傷。
圖2.透明生物細胞的量子顯微成像結果。（a）和（b）內部觸發ICCD的直接明場像和直接暗場像。(c)和(d)由單光子觸發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。
湖南大學物理與微電子科學學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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