基于超表面的非局域量子弱测量显微镜

近日，湖南大学罗海陆/文双春教授团队提出并实现非局域量子弱测量显微镜，为探测透明、光敏生物细胞和生物组织开拓了新思路。

相关成果以“metasurface-Assisted Quantum Nonlocal Weak-Measurement Microscopy”为题于2024年1月25日发表在Physical Review Letters上。

02 研究背景

光学显微镜是我们探索微观世界的重要工具，已经成为现代物理学、生物学、材料学等领域充满活力的研究方向。在微观世界中，细胞是生命体的结构单元，也是生命活动的基本单位。大多数生物细胞是微小透明的，通常情况下可看作是纯相位物体。这类样本被称为相位物体，因为它们仅影响输入光场的相位而不是振幅。纯相位物体的散射光非常弱，使得从压倒性的输入光背景中揭示其结构变得极具挑战性。

由于透明生物样本的散射光非常弱，导致观测它们需引入复杂的光学系统。尽管如此，成像对比度仍然很低。传统使用的显微镜的灵敏度和分辨率从根本上受到环境噪声的限制，可以通过增加照明光的强度有效降低环境噪声的影响。因此，传统的显微成像技术面临另一个关键困难：对于光敏生物样本，大的光照强度会导致样品的生物物理损伤。

03 研究创新点

为针对上述挑战和关键困难，湖南大学物理与微电子科学学院罗海陆/文双春教授团队提出了量子非局域弱测量显微镜。量子弱测量方法通过非常弱的相互作用进行测量而不影响被测物理系统，通过调控量子态的前后选择可以显著放大被测的微小物理量，因此已经被广泛的应用于微小物理参数和物理效应的精密测量。超表面为二维纳米结构，通过设计其结构尺寸和周期，可以精确操控测量探针和被观测量的耦合强度。将基于超表面的量子弱测量方法应用到显微成像中，可以精确测量透明生物样本的相位梯度信息，从而重构其定量相位图像，解决了透明相位物体成像中所面临的透明性这一关键困难。

图1 (a) 标准弱测量原理。(b) 非局域弱测量原理。

在标准量子弱测量中，测量过程通常是由同一个光子实现，如图1（a）所示，在低光子水平难以获得高的信噪比。非局域弱测量打破标准弱测量的限制，将测量过程推广到两个偏振相互纠缠的光子。利用量子偏振纠缠特性，弱测量的前选择态和后选择可以分别由两个具有偏振的光子实现，如图1（b）所示。在这个过程中不需要对信号路中的光学元件进行调节，通过调控闲频路中的光子的偏振态可以实现对信号路中弱测量系统的调控，可以避免人为调节光路所引入的机械误差。

图2非局域量子弱测量显微成像实验装置图。

基于非局域弱测量方法可以对单个光子进行计数，实现对极微弱信号的探测，有效地滤除了时域上不重叠的环境噪声。非局域弱测量成像是一种超低噪声的成像技术，增强的灵敏度使其能够探测到单个光子。非局域弱测量成像方法大幅提升了少数光子条件下的成像信噪比和对比度，避免对光敏细胞的生物物理损伤。超表面除了可以精确操控测量探针和被观测量的耦合强度之外，也由于结构精巧，功能强大，很大程度上降低实验装置的复杂度，实现集成的弱测量显微镜，实验装置图如图2所示。

图3通过调节触发路中前选择的偏振态来非局域地实现三种成像模式的调控。(a) 明场图像。(b) 微分图像。(c) 相位重构图像。(d)-(f) 分别为沿 (a)-(c) 中的白色虚线处提取的曲线。

此外，基于非局域弱测量方法，可以非局域地实现明场、微分、相位分布重构三种成像模式，当非局域控制偏振片1的角度为竖直偏振时，成像路得到的图像为明场图像【图3（a）】。当偏振片1的角度为水平偏振时，得到的则为微分图像【图3（b）】。当偏振片1分别引入两个正负3度时，则可以得到重构后的相位分布【图3（c）】。通过不同成像模式可以精确重构生物细胞和生物组织的强度和振幅信息。

04总结与展望

该团队提出并实现了一种基于超表面的非局域量子弱测量显微镜，可以实现对纯相位物体的相位分布进行测量。并且通过非局域调节实现明场、微分和相位分布重构三种成像模式，不需要调节成像路中光学器件，可以避免引入认为调节导致的机械误差。此外，还可以在低光子水平下提升成像信噪比，有望应用于光敏细胞的成像中，避免强光造成的生物损伤。这一研究成果有望应用于生物成像领域，探索前所未知的生命细节。

论文第一作者为湖南大学博士后刘佳威，通讯作者为罗海陆教授。该工作得到了国家自然科学基金重点项目（61835004）、面上项目（12174097）和博新计划（BX20230116）支持。

论文链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.132.043601