澳大利亚大学:澳大利亚悉尼大学：虚拟超透镜技术突破衍射极限，提升显微成像分辨率

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澳大利亚大学。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，澳大利亚悉尼大学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澳大利亚大学。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澳大利亚大学。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。

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、低分辨率数据澳大利亚大学。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。

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澳大利亚大学。”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。

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澳大利亚大学。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。

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澳大利亚大学。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。

-澳洲168-

图1 超透镜实验结果

图源：悉尼大学纳米研究所

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澳大利亚大学。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。”

图2 研究员Alessandro Tuniz(左)和Boris Kuhlmey教授在澳大利亚大学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澳大利亚大学。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澳大利亚大学。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澳大利亚大学。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。

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澳大利亚大学。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。”

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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

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原文链接：

科学编辑 | 佚名

编辑 | 徐睿

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