中國科學技術大學張斗國教授課題組，結合微納光學的光場調控技術和計算光學顯微成像技術，提出了一種基于光子晶體隨機散斑照明的超越衍射極限、無標記暗場成像新技術。相關研究成果以“Planar device–enabled speckle illumination for dark-field label-free imaging beyond the diffraction limit”為題，于2月20日以直接投稿的方式發表在綜合性國際學術期刊Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS)。
該項研究課題組利用前端物理域的亞波長結構光子晶體光場調控特性，實現了大角度和全內反射表面波的隨機暗場散斑照明；有機結合后端數字域的信息處理技術，最終實現高對比度、高分辨率的無標記暗場和表面切片成像。該成像技術不需要復雜的光學系統對準和精準預知的照明模場，成像系統架構簡潔，平面型光子晶體器件體積小、易于集成，直接兼容傳統的明場顯微鏡。這項成像技術的提出將拓展暗場顯微鏡的潛在應用領域，并提供傳統暗場顯微技術所不能看到的樣品細節信息。
圖.暗場散斑照明器件的原理示意圖及超分辨暗場成像效果圖
該工作中，張斗國教授課題組提出利用一維光子晶體和多模光纖波導等微納結構組成的平面型器件來實現隨機暗場散斑照明的功能，其設計原理示意圖如圖1a所示。研究人員利用前焦面和后焦面成像系統對該平面器件生成的照明光場特性進行表征分析，實驗結果與理論設計吻合。進一步，將所制備的平面型隨機暗場散斑照明器件用作傳統明場顯微鏡的載物平臺，無需對成像系統進行任何修改，就可以實現隨機暗場散斑照明顯微鏡(RDSIM)的搭建。通過拍攝200幀不同散斑照明的樣品圖像，結合Blind-SIM重建算法，就可以重構出超分辨率圖像。實驗中利用波長633nm的光對直徑200nm的不同間距聚苯乙烯球進行成像。通過對比RDSIM，傳統暗場，明場以及電鏡的成像效果，驗證了RDSIM具有高對比度、高分辨率的暗場成像性能(如圖1c)。實驗結果表明，該方法將無標記暗場成像的空間分辨率提升了1.55倍，突破了該成像系統的阿貝衍射極限分辨率。同時，研究人員利用聚合物納米線驗證了該系統在切換工作波長后具有表面切片成像的能力，如圖1d所示。
中國科學技術大學物理學院博士生范澤滔、尤新祥為本論文共同第一作者，中國科學技術大學物理學院、合肥微尺度物質科學國家研究中心張斗國教授為本論文的通訊作者。該研究工作得到了科技部、國家自然科學基金委、安徽省科技廳等項目經費的支持。相關樣品制作工藝得到了中國科學技術大學微納研究與制造中心、理化科學實驗中心的儀器支持與技術支撐。
