近日，哈工大儀器科學與工程學院(以下簡稱“儀器學院”)、南洋理工大學、新加坡科技設計大學等合作團隊共同提出了一種基于超構表面的單幀三維成像顯微系統，并驗證了該系統在工業和生物領域的應用。該研究以《單幀三維成像超顯微鏡》(Single-Shot 3D Imaging Meta-Microscope)為題，發表在《納米快報》(Nano Letters)上。該研究為集成化單幀三維顯微成像系統設計提供了新思路。 
在現代光學顯微成像領域，三維顯微成像的發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節、材料中的微觀結構和納米尺度的相互作用。目前常用的三維顯微成像技術包括激光共聚焦顯微術、光場顯微術、多光子顯微術以及結構光照明顯微術等，都不可避免地需要長時間的掃描或復雜的光機結構，這極大增加了所需的時間成本和硬件成本，不利于快速、高效的三維成像，限制了對活細胞生命運動和三維結構的觀察。
研究團隊利用超構表面對光場進行亞波長分辨率的高自由度調控，提出了一種在4f系統中基于超構表面實現雙螺旋點擴散函數的方法。通過全介質超構表面構建的4f-超顯微鏡成功實現了單幀三維成像，避免了長時間的掃描。在此基礎上，該研究將4f-超顯微鏡集成至由單層超構表面組成的2f-超顯微鏡，驗證了該系統具有可調控的軸向探測范圍，所提出的單幀三維成像超顯微鏡在大軸向探測范圍內實現了亞微米的軸向定位精度，并在工業樣本和生物組織中進行了應用驗證。
哈工大為論文第一通訊單位，儀器學院博士研究生郝慧捷、王新偉，新加坡科技設計大學王浩博士為共同第一作者，儀器學院劉儉教授、丁旭旻教授為共同通訊作者。同時該工作獲得儀器學院譚久彬院士的指導和大力支持。
該研究工作獲得國家重點研發計劃青年科學家項目和國家自然科學基金資助。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)桃花花粉細胞三維圖像
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