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(fā)表題為 “Intrinsic Optical Spatial Differentiation Enabled Quantum Dark-Field Microscopy”的文章：結(jié)合光學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節(jié)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(jīng)成為現(xiàn)代光學領(lǐng)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(jié)構(gòu)單元，也是生命活動的基本單位。 生物細胞的大小、形態(tài)以及結(jié)構(gòu)特征與細胞的功能和活動相適應(yīng)，對其特征識別技術(shù)的研究是生命科學的基礎(chǔ)，也是現(xiàn)代生命科學的發(fā)展支柱。

大多數(shù)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(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。光學模擬計算是指用光學的方法對光場分布執(zhí)行數(shù)學上的運算。基于細胞散射光內(nèi)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(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，避免對光敏細胞的生物物理損傷。

圖2.透明生物細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