近日，湖南大學物理與(yu) 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(wei) “Intrinsic Optical Spatial Differentiation Enabled Quantum Dark-Field Microscopy”的文章：結合光學模擬運算與(yu) 單光子成像技術的量子暗場顯微鏡，為(wei) 探索未知的生命細節開拓了新思路。

光學顯微鏡是我們(men) 探索微觀世界的重要工具，已經成為(wei) 現代光學領域一個(ge) 充滿活力的研究方向。在微觀世界中，細胞是生命體(ti) 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(yu) 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(ti) ，因為(wei) 它們(men) 僅(jin) 影響輸入光場的相位而不是振幅。純相位物體(ti) 的散射光非常弱，使得從(cong) 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(chuan) 統顯微鏡的靈敏度和分辨率從(cong) 根本上受到環境噪聲的限製，可以通過增加照明光的強度有效降低環境噪聲的影響。但對於(yu) 光敏生物樣品，傳(chuan) 統顯微成像技術麵臨(lin) 一個(ge) 關(guan) 鍵困難：大的光照強度會(hui) 導致樣品的生物物理損傷(shang) 。

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(liang) 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(guan) 係。

為(wei) 克服上述困難與(yu) 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，提出並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。基於(yu) 細胞散射光內(nei) 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(ti) 的重要特征主要體(ti) 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(ge) 光子。單光子探測器可以對單個(ge) 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(shang) 。

圖2.透明生物細胞的量子顯微成像結果。（a）和（b）內(nei) 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(yu) 微電子科學學院為(wei) 該工作的唯一完成單位，博士生劉佳威為(wei) 第一作者，羅海陸教授為(wei) 通訊作者。該工作得到了國家自然科學基金重點項目（61835004）、麵上項目（12174097）支持。

文章鏈接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.128.193601