Laser & Photonics Reviews:基于空间频谱调控的超分辨显微技术

光学显微镜具有非侵入性、便捷性的特点。但传统显微镜相当于一个低通滤波器,其频谱接收范围受到了物镜数值孔径的限制,因而分辨率存在极限,横向上只能达到200纳米左右。超分辨显微技术可以突破传统显微镜的分辨率极限,在生物、化学、材料等领域具有广泛的应用前景。

浙江大学光电科学与工程学院刘旭教授、杨青教授团队开创性地提出了移频超分辨显微成像方法,于2017年将发光纳米线作为局域光源,巧妙地利用其强光局域能力和强倏逝场等特点,并与低传播损耗、高折射率的薄膜波导相耦合,首次实现了片上的大视场、远场、无标记的超分辨显微成像,分辨率较传统显微方法提升了5倍,且其视场比以往报道的无标记型远场超分辨显微方法扩展了2个数量级。论文发表于Physical Review Letter(DOI: 10.1103/ PhysRevLett.118.076101)。

随后,2019年,该课题组在原有的基础上进行了提升,将有机发光薄膜代替纳米线作为倏逝场发光光源,应用于片上超分辨显微成像。有机发光薄膜具有可见光宽频谱范围的发光特性,结合滤光片采集即可实现宽频谱范围的移频。同时有机发光薄膜制备工艺简单、成熟,具备大规模加工的优势。结合频谱合成算法,该课题组首次实现了140纳米的分辨率和复杂样品的重构。论文发表于Advanced Functional Material(DOI: 10.1002/adfm.201900126)期刊。

最近,刘旭教授、杨青教授、马耀光教授课题组从新的角度综述了超分辨成像技术,即利用高频倏逝场进行空间频谱调制。空间频谱调制方法就是利用各种方式将物体的高频信息转移到传统显微物镜的频谱接收范围之内。其实现方式包括采用特殊的中继物镜(超透镜、微球透镜)将物体的高频倏逝场信息压缩到低频,使其被普通物镜接收到;也可以是采用高频倏逝场照明的方式,将物体空间频谱的高频部分通过移频方式转移到低频,再通过频谱合成重构算法在频谱域进行拼接以获得更宽的频谱域覆盖,从而实现更高的分辨率。

相比点扫描采集的超分辨成像方式,利用高频倏逝场进行空间频谱调制的超分辨方法采用的是宽场成像方式采集图像,因而成像速度可以更快。此外,其成像方法简单,只需在传统显微镜上集成超透镜或者移频照明芯片就可以实现超分辨成像。基于移频的超分辨芯片未来可以利用集成电路兼容工艺低成本制备,具有广泛的应用前景。

相关论文“Mingwei Tang, et al. Far-Field Superresolution Imaging via Spatial Frequency Modulation”发表在Laser & Photonics Reviews(DOI: 10.1002/lpor.201900011)上。