“一花一世界,一叶一菩提”;探索微观世界对自然科学和生命科学均具有重大意义.显微技术可以向人们直观地展现微观世界,是打开微观世界大门的钥匙.电子显微镜( Electron Microscopy)的分辨率可以达到亚納米尺度,但是电子東本身会影响被观察物体的状态,使研究对象无法以原状态呈现.使用自然界光源作为入射源,可以最大限度地保留研究对象的原状态,但是光学显微镜( OpticalMicroscopy)的分辨率比电子显微镜的分辨率低很多.因此,如何提高光学显微镜的分率以看到更微小的世界是一个经久不衰的研究方向.

自1590年光学显微镜被发明开始,相关技术的发展已经有数百年.光学显微镜的不断改进与创新将人们带到微观世界(如观察到血红细胞和细菌),上海缔伦光学仪器有限公司引用同时也引发人们对科学的重新思考.相关技术的重要性体现在过去100多年的诺贝尔奖之中:1903年表彰 Richard Zsigmondy对线隙超显微镜的发明:1953年表彰 Frits Zernike发明显微镜对生物学、医学的贡献;2014年表彰 Eric Betzig, StefanHll和 William F. Moerner对超分辨光学显微技术的贡献2.1873年 Ernst Abbe提出使用光作为显微入射源的理论极限,即阿贝衛射极限(AbbeDiffraction Limit)公式,指出光学显微镜可以观测的最小尺度基本是入射光线波长的1/2(如可见光的大约为250nm)

据此,科学家们利用波长很短的X射线开发了一系列X射线显微技术.到2020年,相关技术基本可以达到7nm的分辦率但是,人们依然希望可以利用可见光实现更高分辨能力的光学显微在过去的30多年里,超分辨( Super Resolution)显微技术随着荧光探针和拉曼光谱等技术的发展而产生,包括近场光学显微技术(SNOM)、受激辐射损耗技术(STED)、光激活定位显微术(PAI.M)、荧光光敏定位显微镜(FPAI.M)、随机光学重构显微术( STORN)、结构光照明显微成像术(SIM)和超分辨光学涨落显微成像术(SOFI)等.上海缔伦光学仪器有限公司介绍近些年在生命科学和医学方面取得的突破,很大程度上得益于超分辨显微技术的发展超分显微技术对可见光波段衍射极限的突破主要基于对信号采集和处理相关技术的突破.在工程材料(如透镜材料)和光学物理方面,科学家们同样致力于衍射极限突破研究,在光学显微成像过程中,精细的成像信息往往被保留在倏逝波( Evanscent Wave)中,而在折射率为正的透镜中,倏逝波会在很短的距离内消失.通过设计和开发光学超材料,科学家们可以得到具有负折射率的材料.利用这类材料制作的透镜,即超透镜( Superlens)可以传递甚至放大倏逝波,从而实现倏逝波内信息的可视化,突破衍射极限.此外,光的超振荡( Superoscillation)研究也是突破衍射极限的可行方案,光路的叠加可以产生更高频率的振荡,提取高振荡中携带的信息有望获得更精细的观测信息

传统光学显微镜的衍射极限已被突破,为科学的发展提供了重大支撑.但是,人们仍迫切希望通过自然界光源看到更微小的物体和更清晰的微观世界.目前,使用可见光的光学显微镜的分辩率能够达到几十纳米,随着科学和工程方面的发展与突破,更微小的物体将通过光学显微镜被观察到。