无旁瓣4Pi超分辨技术实现突破

无旁瓣4Pi超分辨技术实现新突破

研究背景

在现代光学领域，三维极窄空间内的光与物质相互作用研究对推动成像、传感和光刻等前沿技术的发展至关重要。然而，传统远场三维聚焦方法受限于显微物镜的孔径角，其轴向分辨率通常仅为横向分辨率的1/2至1/3。尽管4Pi显微术能够将轴向分辨率提升3至7倍，但其依赖复杂的双物镜架构和多光束精密耦合，系统稳定性较差，且干涉特性引发的高强度旁瓣会导致成像伪影。因此，如何实现无旁瓣的三维紧聚焦成为当前光学超分辨领域的关键挑战。

核心创新点

华南师范大学詹求强教授团队通过引入超高阶非线性荧光与双焦干涉场调制，在简易的单物镜、单光束显微系统中实现了显著的技术突破。该研究首次在物理空间中彻底解决了4Pi显微术中的高强度旁瓣问题，成功实现了轴向分辨率为26纳米、横向分辨率为48纳米的远场三维聚焦与成像。

技术原理

研究团队利用超高阶非线性激发（UNEx）的光子雪崩荧光（N>30），有效抑制了4Pi显微术中发光中心上下两侧的高强度干涉旁瓣。理论分析表明，当非线性阶数达到10时，旁瓣即可被完全消除。此外，高阶非线性效应还能进一步压缩三维空间中的光斑作用尺度，从而实现更高的分辨率。

为简化传统双物镜4Pi架构的复杂性，研究团队创新性地采用反射镜替代其中一个物镜，并通过矢量光场调制生成两个沿光轴分离的焦点。经镜面反射后，这一设计实现了单物镜的4Pi干涉照明，大幅提升了系统的稳定性和实用性。

实验结果

实验结果表明，在单束180μW连续光激发下，基于UNEx-4Pi方法的单物镜显微系统能够实现极限远场聚焦，其轴向分辨率达到了26纳米，横向分辨率为48纳米。这一成果不仅验证了无旁瓣4Pi聚焦的可行性，还为未来光学超分辨技术的发展提供了重要参考。

学术影响

相关研究成果已发表于《光：科学与应用》，为解决光学超分辨领域的核心难题提供了全新思路。该技术有望在生物医学成像、纳米材料表征等领域发挥重要作用，推动相关技术的进一步发展与应用。