超分辨率荧光显微技术——解析2014年诺贝尔化学奖

 2014 年诺贝尔化学奖授予Eric Betzig,Stefan W. Hell 和William E. Moerner3 位科学家,以表彰他们在超分辨率荧光显微成像技术方面的重大贡献。本文从显微镜分辨率的起因入手,对超分辨荧光显微技术进行了深入阐述。此外,对光学显微技术的发展前景进行展望。     

超振荡透镜的三维全矢量电磁分析方法

为了揭示超振荡透镜(SOL)亚波长聚焦本质和高分辨率成像机理,阐述了超振荡透镜的三维全矢量电磁分析方法,包括矢量电磁聚焦和矢量电磁成像两个连续物理过程。采用矢量角谱理论,计算预测超振荡透镜后多衍射光束精细干涉形成的矢量光场分布,利用等价磁偶极子矢量成像理论,定量计算探测面内像场分布。研究结果表明:三维时域有限差分法建模的严格求解结果与矢量角谱结果基本吻合;高倍、大数值孔径显微成像系统具有选择性偏振滤波成像机理,特别是可对纵向偏振分量进行抑制。该研究为超振荡透镜应用于纳米光刻、超分辨显微技术、粒子操控等领域提供了理论基础。     

我国学者在无标记远场超分辨领域取得突破

正超越"衍射极限",实现具有亚百纳米分辨率的显微成像已成为人类探索微观世界不可或缺的技术手段,是国际研究热点。2014年的诺贝尔奖得主发明了基于荧光标记的STED、STORM、和PALM,使人类的光学显微进入了超分辨时代。然而目前的超分辨技术面临着需要借助荧光标记、视场狭窄、样品选择性强、应用对象极为受限等瓶颈。普适性强、可快速成像的无标记的宽场远场超分辨显微方法成为显微领域亟待突破的关键。近来,浙江大学杨青、刘旭团队开创性地将发     

超近场光学扫描显微镜的研究

近场光学扫描技术是近年兴起的高新技术之一。超近场光学扫描尚未见报导。本讨论超近场光学扫描显微镜的工作原理及其超分辨理论。     

2021年光学热点回眸

回顾了光学领域在2021年的重大进展,盘点了微纳光学、强激光与超快光学、超分辨与成像技术、量子计算与光通信、生物光子学、量子光学、光学探测与整形、涡旋光、孤子光学、人工智能、光学传感、太赫兹光学、光伏光电、照明显示和拓扑光子学等15个光学技术研究领域的重大进展,探讨了其在未来可能会对人类生存及生活方式产生的巨大影响.     

2020年光学热点回眸

回顾了光学领域在2020年的重大进展,盘点了微纳光学、强激光与超快光学、超分辨与成像技术、量子计算与光学通信、光束传输、生物光子学、量子光学、紫外光源、光束整形与探测、等离子体光学、人工智能、光伏光电、涡旋光和孤子光学等14个光学技术研究领域的重大进展,探讨了其在未来可能会对人类生存及生活方式产生巨大影响.     

超高时空分辨光谱学

结合作者工作介绍和总结了超高时间空间分辨光谱学及其在介观体系和纳米材料超快动力学研究中的应用. 首先简述了扫描近场光学显微镜工作原理; 然后介绍了结合近场显微镜和飞秒时间分辨光谱技术获得时空超高分辨光谱的方法; 对其中的一些具体科学问题进行了分析; 最后通过几个典型的例子说明了超高时空分辨光谱学的重要应用.     

图像超分辨重建技术研究现状

本文详细论述了图像超分辨重建技术国内外研究现状,包括基于重建的超分辨技术和基于学习的超分辨重建技术,最后总结了超分辨技术的发展方向。     

超分辨近场光学成像技术及其产业开发

超分辨近场光学成像技术是当前国内外一个重要的高新技术前沿课题，也将是我国21世纪初应该发展的一项高新技术产业。文中介绍了我国自1991年以来开拓研究的进展，探讨了国际学术界及产业开发中当前存在的主要问题，提出了各类超分辨扫描模式成像公式的乘法表达式，并作了分析比较。为解决消除假像和从有形貌等混合图像中分离纯光学图像两大难题，作者曾于1993年和1996年提出两项发明专利，为发展我国的该产业解决了两大技术关键。     

2017年光学热点回眸

 随着激光的诞生,光学已渗透到人类生活的方方面面。盘点了微纳光学、超强激光、超分辨技术、太赫兹技术、量子计算、激光3D打印、计算光学成像技术、光通信、生物光子学、X射线成像等10个未来可能会对人类生存及生活方式产生巨大影响的光学技术研究领域在2017年的重大进展。     

光学微扫描显微热成像系统超分辨力图像处理方法研究

为提高已研制光学微扫描显微热成像系统的空间分辨力,基于改进的频域图像配准技术和凸集投影超分辨力算法,提出了显微热成像系统光学微扫描超分辨力图像处理方法。给出了该方法的原理及步骤,采用不同重构方法行了仿真研究,给出了评价参数和结论。利用光学微扫描显微热成像系统采集低分辨力显微热图像序列进行了超分辨力处理实验,实验结果表明本文提出方法的有效性,光学微扫描显微热成像系统的空间分辨力得到提高从而可满足需要高分辨力显微热分析的场合。该方法还可以应用于其它不可控光学微扫描成像系统中,具有广泛的应用前景。     

产业报国"追光"不止

从昔日的"追光"少年到如今浙江大学现代光学仪器国家重点实验室的带头人,刘旭在光学薄膜与光学成像领域默默耕耘三十载,研究成果曾获两项国家科技大奖,为我国超分辨光学显微技术以及高清投影显示产业的发展作出了重大贡献.     

多光束超分辨显微成像系统的设计与光束重合度优化

为了提升超分辨显微成像系统的分辨能力,自主设计并搭建了一套多光束超分辨显微成像系统。该成像系统包括有3束激光束,分别为405 nm实心激发光束、488 nm实心激发光束以及488 nm空心损耗光束。通过Labview程序控制纳米位移台与单光子测器间的数据采集,采用80 nm金纳米颗粒探针扫描方式对该成像系统进行纳米尺度的光束调制,完成了多光束显微成像系统的光学调节,主要包括有多光束的光斑整形、多光束间的光束空间重合度优化以及对应光斑强度分布的仿真模拟。通过已知绿色荧光蛋白样品的测试结果,说明了该方法对于系统中光束空间重合度的提升作用与效果。     

光学显微术的进展

介绍了近场光学显微术的发展及扫描近场光学显微镜,展望近场光学技术的发展,探讨了近场光学显微术目前存在的一些问题和需要解决的问题.     

一般非综合孔径雷达方位超分辨研究

一般非综合孔径雷达的方位分辨率受天线波束宽度的限制。要突破这种限制需要采用方位超分辨技术。该文介绍和分析了3种一般非综合孔径雷达的方位超分辨方法,包括去卷积法、角度权重法和相控阵雷达的相位权重法。对这些方法的性能进行了比较性研究,给出了数值仿真的结果。研究表明,去卷积法只适合于信噪比大于30dB的场合。在信噪比小于15dB时,角度权重法和相位权重法仍具有较好的方位超分辨效果。该文还从信息的角度分析了方位超分辨的实质,探讨了实现方位超分辨的可能途径。     

超高时空和能量分辨光电子成像研究进展

测量并操控新材料和新器件中极端时空小尺度电子的超快动力学过程,是后摩尔时代柔性半导体和微纳超快响应器件研发的核心.时空和能量分辨的光发射电子显微技术将光学的泵浦-探测方案与电子显微成像技术巧妙结合,兼具飞秒-纳米极端时空和高能量分辨本领,已经成为探索纳米光子学和低维半导体器件等领域超快光物理过程的普适显微手段,推动了等离激元学、半导体材料科学及其相关交叉学科在基础和应用研究领域的革命性发展.本篇综述将重点介绍超快光电子成像技术在等离激元功能器件、高阶等离激元涡旋场、等离激元斯格明子和低维半导体材料方面的应用.最后,我们将展望超快光电子成像技术在未来基础研究和应用研究中的新机遇.     

光学显微三维成像特性的实验研究

讨论了激光共焦扫描显微镜的三维超分辨率成像特性,通过实验论证了在理论分析上所具有的三维超分辨率成像特性.理论分析和实验结果表明这种新的显微系统可以成高分辨率的二维层析图像并重构成三维图像.     

漏光型环形光瞳滤波器的优化设计

通过对漏光型环形光瞳滤波器三个特征参数（K、α和b）的优化，得到了具有最佳三维超分辨的漏光型环形光瞳结构（κ=0.418,α=0.407,b=0.935）。计算和分析表明，利用优化的光瞳的显微镜成像系统，其三维超分辨能力优于其它方法所得的结果。本文的优化方法对其它三维光瞳滤波器也适用。     

分布式雷达超分辨成像的MUSIC方法

多重信号分类(MUSIC)方法已在单基地雷达的超分辨成像中得到较广泛的研究,然而将该方法直接应用到双/多基地形式的分布式雷达超分辨成像上,则会面临收发分置带来的散射信息解相关和波数相位分解等问题.为此利用三维空间平滑和双重线性插值对MUSIC方法进行了改进,给出了分布式雷达超分辨成像的最小信噪比显式表达及其快速计算公式,并据此分析了超分辨成像性能.仿真结果验证了这种基于收发分置形式的MUSIC超分辨成像方法的有效性.     

基于线过程的POCS超分辨图像重构算法

传统的凸集投影（POCS）超分辨重构算法易使图像产生边缘振荡效应问题,在研究了边缘振荡效应的成因后,提出一种基于线过程模型的POCS算法来对低分辨图像序列进行超分辨图像重构．该算法采用线过程模型检测出超分辨初始估计图像的4个方向的边缘,在传统POCS的投影过程中增加了对图像的平滑处理,实现了低分辨图像序列超分辨重建的对比实验,实验结果表明图像边缘振荡效应能得到明显改善．