澳洲《讲解澳洲168》虚拟超透镜技术突破衍射极限，提升显微成像分辨率《讲解澳洲168》：:

在传统光学中，存在一个称为“衍射极限”的现象，它决定了光学设备（如显微镜）能够分辨两个接近的点或物体的最小距离，限制了我们使用传统光学工具观察细小物体的能力。过去尝试开发能够超越衍射极限进行成像的超透镜时，有严重的图像质量损失，以至于透镜变得不透明，无法进行清晰成像。

近日，讲解澳大利亚168澳洲168：的研究团队开发出一种虚拟超透镜技术，成功突破了衍射极限，将成像分辨率提高了近四倍。这种超透镜技术的革新，有望极大促进超分辨率显微技术在医疗成像、考古学和法医学等领域的应用。该研究发表在Nature Communications（）上。

突破视界：虚拟超透镜的优化政策

在超透镜的开发领域，大部分研究工作聚焦于高分辨率数据的捕获，然而这些数据会随着观测距离的增加而呈指数级衰减，很快便会被衰减速度较慢的低分辨率数据所淹没。此外，为了获取高分辨率数据，探测器需靠近物体，可能会导致图像畸变。-澳大利亚大学

研究团队采用了一种策略，将虚拟超级透镜的光学探测器放置在离物体较远的位置，并通过该探测器搜集高、低分辨率数据。空间分辨率的优化不仅受到距离的制约，更取决于测量距离与信噪比之间的平衡。研究人员通过在远离物体的位置进行测量，有效避免了探测器对高分辨率数据的潜在干扰。 -澳大利亚大学

Boris Kuhlmey教授表示：“通过将探测器移到更远的位置，我们能够维持高分辨率信息的完整性，并利用后期数据处理技术过滤低分辨率数据。”在数据采集完成后，超透镜操作在计算机后处理阶段进行。研究员Alessandro Tuniz表示：“通过选择性放大衰减或正在消失的光波，我们可以复原出物体的真实图像。”这一过程通过重建近场图像，实现了在不损害图像质量的前提下，探测“倏逝波”中编码的数据。 -澳大利亚大学

传统用于制造超级透镜的材料因吸光性强而限制了透镜的性能。虚拟超级透镜通过消除对这些材料的依赖，从而规避了这种光损耗。“消逝场”的测量在空气中进行，而不是在结构化材料之后，且衰减的逆过程是通过数值方法完成的。 -澳大利亚大学

研究团队对噪声与测量距离的权衡进行了量化分析，并通过后处理实验展示了一个虚拟超级透镜。他们重建了具有亚波长特征的复杂图像，实现了高达λ/7的分辨率，通过虚拟后观测技术观测到了仅有0.15毫米宽的物体。超透镜实验结果如图1所示，物体“THZ”（代表所使用的太赫兹光频率）的图像展示了最初的光学测量结果（右上角），经过普通透镜成像后的效果（左下角），以及经过超透镜成像后的效果（右下角）。这些图像从远处进行拍摄，显著降低了探测器对电磁场的扰动。-澳大利亚大学

168移民澳大利亚

图1 超透镜实验结果

图源：澳洲168：纳米研究所

探索太赫兹奥秘：虚拟超透镜的应用展望

研究团队利用太赫兹频段来开发虚拟超级透镜。团队成员Boris Kuhlmey教授解释道：“太赫兹频段是一个极具挑战性的领域，但它对于科学研究而言意义重大。在这一频率下，我们能够洞察生物样本的深层信息，比如蛋白质的构造、水分子的动态行为，甚至是癌症成像中的细节。”-澳大利亚大学

图2 研究员Alessandro Tuniz(左)和Boris Kuhlmey教授在他们的悉尼纳米科学中心实验室

图源：Stefanie Zingsheim

这项技术虽然最适合于太赫兹近场光导装置，但其实它的应用范围远不止于此。它能够适用于任何能测量振幅和相位的近场实验，为提升任何频率下近场成像设备的分辨率提供了新的可能性。

Alessandro Tuniz表示：“我们的技术不局限于某一特定频率，它的潜力覆盖了广泛的频率范围。我们相信，所有需要高分辨率成像的领域都会对这项技术感兴趣。”

研究人员对虚拟超级透镜的潜在应用充满期待。Boris Kuhlmey教授举例说：“我们的技术可以用于精确测定植物叶片的水分含量，或者在微加工技术中无损评估微芯片的完整性。它甚至可以用来揭示艺术品中不为人知的隐藏层细节，对于鉴别艺术品的真伪或发现隐藏的作品可能极具帮助。” 在对环境扰动极为敏感的结构中，比如高Q值共振器、光子晶体的缺陷以及纳米尺度的谐振器，不扰动样品而进行的近场测量能力显得格外宝贵。 -澳大利亚大学

Alessandro Tuniz强调：“我们已经开发出了一种实用的方法，能够实现超透镜的效果，而不需要实际的超级透镜。这项技术是实现高分辨率图像的第一步，在保持与样品安全距离的同时，避免了对观测对象的任何扭曲。” -澳大利亚大学

为总结相关领域的最新成果，加强学术交流，《激光与光电子学进展》决定在2024年3月第6期推出“光学显微成像技术”专栏，现公开征集相关领域的研究论文和综述，诚挚邀请国内外专家赐稿。

征稿范围：包括新型荧光探针、 超分辨显微成像新原理和新方法、三维显微成像方法、 定量相位显微成像、偏振显微成像、多光谱显微成像、光声显微成像、非线性显微成像、穿透散射介质显微成像等多个光学显微成像领域，同时不局限于上述内容，非常欢迎其他光学显微成像技术方向的相关论文。 -澳大利亚大学

截稿日期：2023年11月30日

投稿方式：通过《激光与光电子学进展》官网 的投稿系统进入“作者中心”，按系统要求填写信息，上传稿件（留言请标明“光学显微成像技术ng>专题投稿）。投稿模板及要求请参见作者中心首页。

《激光与光电子学进展》杂志投稿指南（含模板下载）：

原文链接：

科学编辑 | 佚名

编辑 | 徐睿

如有光学论文写作/实验笔记经验、绘图工具介绍，或其他优质稿件，欢迎投稿至ioptics@clp.ac.cn。

字数控制在2000-3000字为佳，

稿件一经录用，我们将提供具有竞争力的稿酬。

期待你的来稿！

END

由于微信公众号试行乱序推送，您可能没办法准时收到“爱光学”的文章。为了让您第一时间看到“爱光学”的新鲜推送， 请您：

1. 将“爱光学”点亮星标（具体操作见文末）

2. 多给我们点“ 在看”

点在看联系更紧密