湖南大学科研团队提出并实现量子暗场显微镜

近日，湖南大学物理与微电子科学学院罗海陆/文双春教授团队在物理学顶级期刊《Physical Review Letters》上发表题为 “Intrinsic Optical Spatial Differentiation Enabled Quantum Dark-Field Microscopy”的文章：结合光学模拟运算与单光子成像技术的量子暗场显微镜，为探索未知的生命细节开拓了新思路。

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，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透明结构变得极具挑战性。传统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。但对于光敏生物样品，传统显微成像技术面临一个关键困难：大的光照强度会导致样品的生物物理损伤。

图1.（a）量子暗场显微成像实验装置图。(b)不同泵浦功率下信号端（红线）、预示端（绿线）和两者之间的符合（蓝线）光子计数。（c）符合光子计数和偏振角之间的关系。

为克服上述困难与挑战，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。基于细胞散射光内禀的光学微分运算，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特征。