基于非线性混频的亚波长成像

衍射极限（在光学中又被称为阿贝衍射极限）在成像、天文学、光刻技术等许多涉及波动的系统中，是一个非常难以解决的问题。例如，目前最好的光学显微镜的分辨率只有200纳米左右，但是用准分子激光进行光刻的实际尺寸大约为几十纳米。与此同时，目前生物学和半导体工业等领域的研究及应用的尺度，已经缩小到几纳米，远远低于衍射极限。根据阿贝理论，物体的亚波长特征通常包含在倏逝波分量中，倏逝波随着与目标距离的增长呈指数衰减。为了衍射极限，研究人员发明了许多绕过阿贝极限的方法，并在一系列应用中取得了成功。例如，2014年诺贝尔化学奖授予了Eric Betzig、Stefan W. Hell和William E. Moerner，以表彰他们对用于生命科学研究的超分辨荧光显微镜所做出的贡献。

目前，克服光学衍射极限的方法主要有近场和远场两种。近场方法使用纳米级尖端扫描样品，直接与倏逝波相互作用。作为一种扫描方法，这种方式可实现 高保真度成像，但耗时长；另一方面，受激发射损耗显微成像（STED）、随机光学重建显微成像（STORM）和结构光照明显微成像（SIM）等远场方法，都需要借助荧光染料进行标记，从而无法用在半导体行业等更广泛的应用中——在半导体产业中，需要一种无需近场扫描、纳米加工和荧光标记的方式。

最近，上海交通大学的研究人员发明了一种打破阿贝衍射极限的替代方法，能以全光学方式实现亚波长成像，文章发表于Advanced Photonics。文中提出了一种硅表面四波混频过程（一种三阶非线性光学效应）激发的局域倏逝波照明。这种激发波可将目标的部分倏逝波散射到远场，从而实现超分辨率成像。通过改变激发波的波矢，可以得到傅里叶谱中不同方向的部分。再将得到的信息与一种被称为傅里叶叠层成像的迭代重建技术相结合，将这些不同的傅里叶光谱部分相叠加，即可恢复包括倏逝场在内的的放大傅里叶光谱，从而实现远场超分辨率成像。

图1 利用非线性四波混合激发的倏逝波，实现远场无标记超分辨率成像

该团队通过测量目标周围的倏逝波，实现了无标记、非扫描亚波长远场成像。本文作者指出，由于这种被激发的近场倏逝波的相长干涉，能够把光聚焦到远低于衍射极限的光斑范围中，因此此项研究结果有望推动新型高分辨率光刻机的研究。

文章见：Zhihao Zhou et al., "Far-field super-resolution imaging by nonlinearly excited evanescent waves," Adv. Photon. 3(2) 025001, doi 10.1117/1.AP.3.2.025001.