近日，哈工大儀器科學(xué)與工程學(xué)院(以下簡稱“儀器學(xué)院”)、南洋理工大學(xué)、新加坡科技設(shè)計(jì)大學(xué)等合作團(tuán)隊(duì)共同提出了一種基于超構(gòu)表面的單幀三維成像顯微系統(tǒng)，并驗(yàn)證了該系統(tǒng)在工業(yè)和生物領(lǐng)域的應(yīng)用。該研究以《單幀三維成像超顯微鏡》(Single-Shot 3D Imaging Meta-Microscope)為題，發(fā)表在《納米快報(bào)》(Nano Letters)上。該研究為集成化單幀三維顯微成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了新思路。
 

　　在現(xiàn)代光學(xué)顯微成像領(lǐng)域，三維顯微成像的發(fā)展為我們提供了更全面的觀察和理解微觀世界的能力，有助于揭示生命過程中的細(xì)節(jié)、材料中的微觀結(jié)構(gòu)和納米尺度的相互作用。目前常用的三維顯微成像技術(shù)包括激光共聚焦顯微術(shù)、光場顯微術(shù)、多光子顯微術(shù)以及結(jié)構(gòu)光照明顯微術(shù)等，都不可避免地需要長時(shí)間的掃描或復(fù)雜的光機(jī)結(jié)構(gòu)，這極大增加了所需的時(shí)間成本和硬件成本，不利于快速、高效的三維成像，限制了對(duì)活細(xì)胞生命運(yùn)動(dòng)和三維結(jié)構(gòu)的觀察。
 

　　研究團(tuán)隊(duì)利用超構(gòu)表面對(duì)光場進(jìn)行亞波長分辨率的高自由度調(diào)控，提出了一種在4f系統(tǒng)中基于超構(gòu)表面實(shí)現(xiàn)雙螺旋點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的方法。通過全介質(zhì)超構(gòu)表面構(gòu)建的4f-超顯微鏡成功實(shí)現(xiàn)了單幀三維成像，避免了長時(shí)間的掃描。在此基礎(chǔ)上，該研究將4f-超顯微鏡集成至由單層超構(gòu)表面組成的2f-超顯微鏡，驗(yàn)證了該系統(tǒng)具有可調(diào)控的軸向探測范圍，所提出的單幀三維成像超顯微鏡在大軸向探測范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了亞微米的軸向定位精度，并在工業(yè)樣本和生物組織中進(jìn)行了應(yīng)用驗(yàn)證。
 

　　哈工大為論文第一通訊單位，儀器學(xué)院博士研究生郝慧捷、王新偉，新加坡科技設(shè)計(jì)大學(xué)王浩博士為共同第一作者，儀器學(xué)院劉儉教授、丁旭旻教授為共同通訊作者。同時(shí)該工作獲得儀器學(xué)院譚久彬院士的指導(dǎo)和大力支持。
 

　　該研究工作獲得國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃青年科學(xué)家項(xiàng)目和國家自然科學(xué)基金資助。哈工大全媒體(劉培香 丁旭旻 郝慧捷 文/圖)
 

　　圖1 單幀三維成像超顯微鏡 (a)4f-超顯微鏡和2f-超顯微鏡示意圖(b)“HIT”字母三維圖像(c)桃花花粉細(xì)胞三維圖像