无旁瓣4Pi超分辨技术实现突破
本报讯（记者朱汉斌）华南师范大学教授詹求强团队利用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轴向分辨率仅26纳米、横向分辨率仅48纳米的远场三维聚焦与成像，首次在物理空间中彻底破解了4Pi显微术中高强度旁瓣的原理性难题。近日，相关成果发表于《光：科学与应用》。
三维极窄空间内的光与物质相互作用研究，对突破衍射极限的成像、传感、光刻等前沿技术发展具有重要意义。受制于显微物镜有限的孔径角，传统远场三维聚焦方法的轴向分辨率通常较横向差2至3倍。4Pi显微术可将轴向分辨率提升3至7倍，但有关技术依赖于双物镜架构和多光束的精密耦合，系统复杂且稳定性较差。干涉特性引发的高强度旁瓣将扩大光与物质的作用范围，引起成像伪影。如何实现无旁瓣的三维空间紧聚焦是当前光学超分辨领域亟待解决的问题。
4Pi显微术能够大幅压缩物镜聚焦光斑的轴向尺寸，然而，其干涉特性会使发光中心上下两侧产生高强度的干涉旁瓣。理论计算表明，多光子激发效应可以有效抑制4Pi干涉旁瓣，当非线性（N）达到10阶时，高强度旁瓣将被完全消除。研究团队利用超高阶非线性激发（UNEx）的光子雪崩荧光（N>30），在不借助反卷积算法的情况下，首次在真实的物理空间中实现了无旁瓣的4Pi聚焦。同时，高阶非线性效应还能在三维空间大幅压缩光斑作用尺度，轻松实现三维超分辨突破。
此外，针对传统双物镜4Pi架构存在的问题，研究团队巧妙利用反射镜替代其中一个物镜，并通过矢量光场调制沿光轴生成两个分离的焦点，经镜面反射后实现单物镜的4Pi干涉照明。单荧光颗粒成像结果表明，UNEx-4Pi方法能在单束180μW连续光激发的单物镜显微系统中，实现轴向26纳米、横向48纳米的极限远场聚焦。
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-01833-x
