本刊記者 汲曉奇
超分辨成像之戰(zhàn)
——記上海理工大學(xué)成像光學(xué)研究所教授王海鳳
本刊記者汲曉奇
看似偶然,三位光學(xué)超分辨成像領(lǐng)域的科學(xué)家摘取了2014年度諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。在這一領(lǐng)域的新原理、新技術(shù)還說(shuō)不上“瓜熟蒂落”之時(shí),諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)獎(jiǎng)委員會(huì)就迅速做出了抉擇,著實(shí)出乎一般人的意料。
然而,同行學(xué)者都明白,突破光學(xué)衍射極限,解決了光學(xué)顯微成像長(zhǎng)達(dá)一個(gè)半世紀(jì)之久的難題,這將為生命科學(xué)、納米科學(xué)等領(lǐng)域帶來(lái)根本性變革,科學(xué)意義非同一般。
于是,一個(gè)讓國(guó)人焦慮的問(wèn)題隨之而來(lái)——在這塊剛剛進(jìn)入公眾視野的科研“新大陸”上,要多久才能聽(tīng)到中國(guó)的聲音?
事實(shí)上,早在多年之前,中國(guó)學(xué)者王海鳳的超分辨成像研究,就曾引起過(guò)國(guó)內(nèi)外同行的集體矚目。
1998年,王海鳳從蘇州大學(xué)物理系取得碩士學(xué)位,進(jìn)入中科院上海光機(jī)所,師從干福熹院士,開(kāi)始了光學(xué)超分辨領(lǐng)域的研究。之所以選擇這一領(lǐng)域,除了自身興趣,主要得益于導(dǎo)師的前瞻性判斷和引導(dǎo)。經(jīng)過(guò)三年的埋頭鉆研,2001年,他與導(dǎo)師一起,首次提出了“應(yīng)用位相型光闌實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)焦深超分辨無(wú)衍射激光光束”這一成果,發(fā)表在應(yīng)用光學(xué)雜志上,解決了光學(xué)系統(tǒng)離焦球面像差的問(wèn)題,確保物體離開(kāi)物鏡焦點(diǎn)后,系統(tǒng)所成的像不再模糊。這既是科學(xué)問(wèn)題,又是工程問(wèn)題,為納米光學(xué)成像、光學(xué)相干層析顯微術(shù)和激光加工等領(lǐng)域提供了向縱深方向發(fā)展的新方法,目前已經(jīng)被應(yīng)用在相關(guān)領(lǐng)域。
博士畢業(yè)前夕,出于對(duì)前沿技術(shù)的渴慕,王海鳳主動(dòng)聯(lián)系了歐洲荷蘭代爾夫特科技大學(xué)的布萊特教授。布萊特教授是歐洲光學(xué)領(lǐng)域的權(quán)威專(zhuān)家、歐盟光學(xué)協(xié)會(huì)的創(chuàng)始人之一,也是最早進(jìn)行光盤(pán)系統(tǒng)、光學(xué)掃描系統(tǒng)成像的研究者之一。經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的面試,他接收王海鳳赴荷蘭進(jìn)行博士后研究,參與歐洲第五框架下的大型項(xiàng)目。
在國(guó)內(nèi)外頂尖專(zhuān)家的引領(lǐng)下,王海鳳博士的科技視野和專(zhuān)業(yè)技術(shù)得到了迅速提升。2014年末,他作為高級(jí)研究員被引進(jìn)新加坡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)研究所,并擔(dān)當(dāng)了項(xiàng)目負(fù)責(zé)人和研究科學(xué)家。在新加坡,他申請(qǐng)了兩個(gè)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目,仍然圍繞光學(xué)納米成像展開(kāi)。而就是在這兩個(gè)基礎(chǔ)項(xiàng)目取得重大突破的同時(shí),王海鳳的目光聚焦在了通過(guò)改變光的偏振態(tài)突破衍射極限上。經(jīng)過(guò)研究室里廢寢忘食的日日夜夜,2013年,他終于帶著自己的研究成果和在國(guó)際同行中強(qiáng)大的學(xué)術(shù)影響力,翩然回國(guó)。
何謂衍射極限,突破它為什么有著至關(guān)重要的意義呢?
幾百年前,荷蘭科學(xué)家列文虎克利用自己搭建的顯微鏡發(fā)現(xiàn)了懸浮在水滴中的細(xì)小浮游微生物,從此打開(kāi)了人類(lèi)進(jìn)入微觀世界的大門(mén)。隨著時(shí)代演進(jìn),依靠不斷進(jìn)步的科學(xué)手段,面紗被一層層揭開(kāi),現(xiàn)代生物學(xué)和材料科學(xué)的發(fā)展對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的研究提出了越來(lái)越高的分辨率需求,我們寄希望于光學(xué)顯微無(wú)止境地“放大”下去,讓我們想看到多小就能看到多小,可以從分子水平揭示生命過(guò)程和材料性能的物理本質(zhì),也為此做出了種種嘗試,卻最終發(fā)現(xiàn),在真理與表象之間,依然存在一道無(wú)法逾越的“墻”,這就是衍射極限。
從幾何光學(xué)的角度看,通過(guò)合理設(shè)計(jì)光學(xué)成像系統(tǒng),光學(xué)顯微鏡具備實(shí)現(xiàn)任意放大倍率的能力。換言之,如果將光束的傳播軌跡看成幾何線條的話,利用光學(xué)顯微鏡可以將任意小的待觀測(cè)對(duì)象以無(wú)限的倍率放大,直到能夠被肉眼直接觀測(cè)為止。不幸的是,我們身處的世界在本質(zhì)上是量子世界, 最終一切物質(zhì)都必須用“波”的概念來(lái)描述,對(duì)光自然也不例外。
1873年,德國(guó)科學(xué)家阿貝提出了衍射極限理論:光是一種電磁波,由于存在衍射,一個(gè)被觀測(cè)的點(diǎn)經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)成像后,得到的不是理想的點(diǎn),而是一個(gè)衍射像,它是一個(gè)彌散的斑。如果有兩個(gè)點(diǎn)靠得很近,由這兩個(gè)點(diǎn)各自產(chǎn)生的彌散斑就疊加在一起,我們看到的就是一個(gè)彌撒斑。分辨率的極限大約為入射光波長(zhǎng)的二分之一(d=λ/2)。可見(jiàn)光的波長(zhǎng)通常在380~780納米之間,根據(jù)衍射極限公式,光學(xué)顯微鏡的分辨率極限就在200納米(0.2微米)左右。如果兩個(gè)物體的中心間距小于0.4微米,你看到的將是一個(gè)模糊的光斑。這就是很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi),光學(xué)顯微鏡的分辨極限。
此后,直到上世紀(jì)90年代,人們一直認(rèn)為光學(xué)顯微鏡所能夠看清的物體的最小尺寸大約為光波長(zhǎng)的一半左右,普通光學(xué)顯微鏡的橫向分辨率一般只能達(dá)到200nm,縱向分辨率約500nm。這對(duì)于研究亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)和分子結(jié)構(gòu)已無(wú)能為力。在這樣的認(rèn)識(shí)背景下,即便很多一流的光學(xué)科學(xué)家也認(rèn)為,突破光學(xué)衍射極限在原理上是一件不可能的事情。雖然電子顯微鏡和原子力顯微鏡可以達(dá)到亞納米的分辨率,但是其只能對(duì)非活性離體細(xì)胞樣品進(jìn)行觀測(cè)的缺點(diǎn)限制了其在生物領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。如何利用光學(xué)方法突破傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡的分辨率極限進(jìn)入納米觀測(cè)領(lǐng)域被稱(chēng)之為“超分辨成像技術(shù)”,美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)把它列為21世紀(jì)光學(xué)五大研究計(jì)劃之首,攻克它成為了光學(xué)顯微成像技術(shù)的一個(gè)重要挑戰(zhàn)和機(jī)遇。
王海鳳為我們介紹到“今年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)所說(shuō)的熒光超分辨率顯微技術(shù),實(shí)際上是指借助于光與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的奇特效應(yīng)來(lái)突破光學(xué)衍射極限。利用熒光分子作為成像對(duì)象的標(biāo)記物,熒光分子的特性是可以被一束波長(zhǎng)較短的光束激發(fā),然后發(fā)射出波長(zhǎng)較長(zhǎng)的熒光。正如我們覺(jué)得暗夜中穿著熒光衣的人特別顯眼,熒光標(biāo)記使得我們感興趣的觀測(cè)對(duì)象在復(fù)雜的生物結(jié)構(gòu)中脫穎而出。然而,使用熒光材料產(chǎn)生有效的納米尺度光源,只適用于生物成像,對(duì)于更廣泛的光學(xué)成像不適應(yīng),比如對(duì)工業(yè)CPU的納米尺度結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō),集成電路很難進(jìn)行熒光處理,像利用熒光材料和生物分子一樣的相互作用,在工業(yè)上進(jìn)行實(shí)時(shí)分析更是做不到的。而我們的目標(biāo)就是,開(kāi)發(fā)出一套超分辨光學(xué)成像技術(shù),適用于納米集成芯片的光學(xué)成像。”
目標(biāo)既已鎖定,剩下的就是全情投入戰(zhàn)斗了。
在新加坡做研究時(shí),由于在西方的學(xué)術(shù)影響力,《激光與光電子評(píng)論》雜志邀請(qǐng)王海鳳寫(xiě)了一篇評(píng)論文章,文章中,王海鳳博士對(duì)衍射現(xiàn)象及其在光學(xué)成像和光束傳播過(guò)程中的作用進(jìn)行了分析,對(duì)當(dāng)前的超分辨技術(shù)、納米成像技術(shù)和無(wú)衍射光束技術(shù)進(jìn)行了分析、歸納和總結(jié),指出了目前各種光學(xué)納米成像技術(shù)的不足點(diǎn),為以后光學(xué)納米成像領(lǐng)域的發(fā)展提供了借鑒,預(yù)測(cè)了未來(lái)可能的發(fā)展方向,題目叫做《與衍射做斗爭(zhēng)》。這個(gè)題目,基本上就是他多年來(lái)科研經(jīng)歷的真實(shí)寫(xiě)照。
“研究光必須要研究其本質(zhì),光究竟是什么東西,這個(gè)東西一直困擾著我們,雖然在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用非常多,但是光到底是什么物質(zhì),它的偏振態(tài)是怎么產(chǎn)生的,如何改變它,如何通過(guò)改變光的基本特性來(lái)實(shí)現(xiàn)更高分辨率的成像?這是我一直思考的問(wèn)題,包括光的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的分布和指向,如何去改變和利用?”
根據(jù)麥克斯韋方程的描述,光波的振動(dòng)方向,即電場(chǎng)和磁場(chǎng)的振動(dòng)方向都與傳播方向垂直,而在研究中,通過(guò)反復(fù)的計(jì)算和試驗(yàn),王海鳳逐漸確信,光束的偏振態(tài)可以轉(zhuǎn)換為與它的傳播方向一致。這個(gè)結(jié)論一經(jīng)發(fā)布,馬上引起了巨大的震動(dòng)。
首先,這是與傳統(tǒng)思維相悖的,而這個(gè)突破來(lái)自于對(duì)光、光線、光束的理解。人們認(rèn)為光是沿直線傳播的,光的偏振方向即電場(chǎng)振動(dòng)方向與它的傳播方向垂直。這在宏觀條件即平面波的條件下是正確的,而對(duì)于有限尺寸的光束,它的偏振狀態(tài)其實(shí)是各個(gè)方向偏振平面波的組合,通過(guò)改變組合的成分,包括振幅和位相,可以實(shí)現(xiàn)偏振態(tài)的旋轉(zhuǎn),讓其與傳播方向保持一致。
其次,具備廣泛的社會(huì)價(jià)值。突破了衍射極限,意味著實(shí)現(xiàn)更高分辨的光學(xué)成像,這個(gè)提高直接影響成像的質(zhì)量,我們可以把顯微鏡分辨率提高了,這個(gè)分辨率提高,對(duì)生物成像和一般的工業(yè)成像都有很大影響,可以讓我們實(shí)現(xiàn)更深層次的光學(xué)成像。
此外,王海鳳還為我們介紹到“這個(gè)工作不僅實(shí)現(xiàn)了分辨率的提高,而且實(shí)現(xiàn)了光束沿著傳播方向的延長(zhǎng),這樣,光束就可以像電子束一樣利用起來(lái),一般來(lái)說(shuō),光聚焦之后,在焦點(diǎn)處很快就發(fā)散了,發(fā)散之后它的分辨率就會(huì)降低,這是光學(xué)成像尤其是掃描成像之中我們不希望看到的,它嚴(yán)重影響了掃描系統(tǒng)的分辨率,我的方法可以把光束聚焦到最高分辨率,并在一定范圍內(nèi)保持不變?!?/p>
對(duì)比掃描成像系統(tǒng)中的光學(xué)掃描成像系統(tǒng)和電子束掃描成像系統(tǒng),電子束分辨率都很高,而光束如果能做成像電子束那么細(xì),又能在一定范圍內(nèi)不變,就是很理想的光學(xué)超分辨成像系統(tǒng)。我想把遠(yuǎn)場(chǎng)掃描顯微鏡的分辨率提高2倍,同時(shí)把焦深延長(zhǎng)10倍以上,這樣不但分辨率提高,而且還提高了光學(xué)掃描系統(tǒng)的穩(wěn)定性,科研價(jià)值顯而易見(jiàn)。
與此同時(shí),王海鳳,成為從實(shí)驗(yàn)上產(chǎn)生和測(cè)量了光學(xué)縱波的“第一人”。在國(guó)際上率先提出了縱波激光束的概念,并從理論上提出了用二元位相調(diào)制和偏振調(diào)制產(chǎn)生超分辨縱波激光束的方法,做出了模擬計(jì)算結(jié)果,理論工作一經(jīng)發(fā)表在Nature Photonics雜志上,隨即被維基百科收錄。其中提出了利用光的偏振調(diào)制和位相調(diào)制來(lái)進(jìn)一步提高共焦掃描成像的聚焦光斑分辨率的方法,實(shí)現(xiàn)了半波長(zhǎng)的遠(yuǎn)場(chǎng)聚焦,該方法最高可以實(shí)現(xiàn)大約0.36波長(zhǎng)的遠(yuǎn)場(chǎng)聚焦,使得遠(yuǎn)場(chǎng)分辨率可以達(dá)到0.18波長(zhǎng),突破了0.25波長(zhǎng)的遠(yuǎn)場(chǎng)分辨率極限,為波矢量和偏振調(diào)控實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)超分辨聚焦提供了依據(jù),證明了二元光學(xué)器件對(duì)縱向電磁波的增強(qiáng)效應(yīng)。
由于麥克斯韋方程對(duì)人類(lèi)認(rèn)識(shí)的影響由來(lái)已久,因此縱波激光束的提出和實(shí)驗(yàn)上的實(shí)現(xiàn),不僅加深了人們對(duì)電磁波的認(rèn)識(shí),即:“電磁波束的電場(chǎng)振動(dòng)方向可以與它的傳播方向一致”,而且開(kāi)創(chuàng)了新的研究領(lǐng)域。
縱波激光束的概念被提出后,激起了人們對(duì)不同偏振態(tài)的光與物質(zhì)相互作用研究的興趣,在飛秒激光加工領(lǐng)域,當(dāng)用電場(chǎng)為切向偏振的飛秒激光在材料上加工光柵時(shí),結(jié)果產(chǎn)生的光柵很不均勻,而且加工深度很淺;在同樣的條件下,當(dāng)用電場(chǎng)為法向偏振的飛秒激光加工材料時(shí),結(jié)果產(chǎn)生的光柵很均勻,加工的深度也較深,而這主要?dú)w功于縱向電場(chǎng)分量的作用,當(dāng)用切向偏振激光時(shí),電場(chǎng)無(wú)縱向偏振分量。只有用法向偏振激光才有較強(qiáng)的縱向電場(chǎng)分量,而縱向電場(chǎng)的振動(dòng)是垂直于材料表面的,所以它與材料的作用就有著類(lèi)似挖掘機(jī)的效果,加工速度快,被加工表面光滑,這個(gè)特性也已經(jīng)被利用在光子晶體的刻蝕上。
通過(guò)進(jìn)一步研究,人們最近發(fā)現(xiàn),飛秒激光與材料作用時(shí),材料產(chǎn)生的裂紋方向總與激光的偏振方向垂直,這給許多需要避免裂紋的激光加工帶來(lái)困難,而利用縱波激光可以避免裂縫的產(chǎn)生,提高成品率。同時(shí)縱向電磁波也是等離子體波,表面等離子體波存在的重要形式,是納米光學(xué)天線和納米光子學(xué)中能量傳輸?shù)闹饕问?;然而,目前的光能轉(zhuǎn)換成可以利用的表面等離子體的效率非常低,這主要是因?yàn)榉ㄏ蚱窦す庵械目v波分量仍然較低,使得在耦合到表面等離子體的過(guò)程中,它的模式與表面等離子體模式匹配率非常低。因此光學(xué)縱波的產(chǎn)生對(duì)納米光學(xué)有著極其重要的意義,它使得光能量可以被高效地耦合成等離子體能和表面等離子體能,從而大大提高了納米光子學(xué)的能量效率,同時(shí)也為基于表面等離子體干涉的納米光刻技術(shù)奠定了能量基礎(chǔ)。
另外,作為縱波,它可以不受伴隨著橫向電磁波的光學(xué)衍射極限的限制,直接在納米范圍內(nèi)激發(fā)表面等離子體并實(shí)現(xiàn)納米光學(xué)聚焦,為納米光刻和納米成像提供新方法。光學(xué)縱波還在諸如反斯托克斯拉曼成像、二次諧波的激發(fā)、帶電粒子加速、熒光成像等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。特別是在縱向偏振光場(chǎng)用于電子和帶電粒子加速方面,最近兩年發(fā)展非常迅速,因?yàn)樗试S利用非常安全而且超小型的激光裝置把電子加速到千兆電子伏量級(jí)以上,是一種高效率的激光電子加速方法。二元光學(xué)器件對(duì)縱向電磁波的增強(qiáng)效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)開(kāi)辟了對(duì)激光偏振調(diào)控的新方法;實(shí)現(xiàn)了對(duì)激光縱向偏振態(tài)的調(diào)控,這一器件的發(fā)現(xiàn)具有重要的科學(xué)和工程意義。另外由于所產(chǎn)生的激光束是超分辨光束,為矢量和偏振調(diào)控實(shí)現(xiàn)超分辨光學(xué)聚焦提供了借鑒。
同時(shí),王海鳳還提出“納米光學(xué)中,由于縱向電場(chǎng)的介入,在有吸收或金屬材料的情況下,不同光學(xué)器件之間形成了類(lèi)似‘串聯(lián)高頻電路'的結(jié)構(gòu),光的縱向高頻電場(chǎng)作為激發(fā)源,如果要實(shí)現(xiàn)更好的光能傳輸,就要使這個(gè)‘電路'的諧振頻率接近激發(fā)光源的頻率。”這項(xiàng)研究成果體現(xiàn)在熱輔助磁存儲(chǔ)中的納米光學(xué)加熱頭的設(shè)計(jì)中,基本原理已于2011年發(fā)表在DSI雜志Storage Unlimited上。
這個(gè)方法的提出使得能量耦合到硬盤(pán)上納米范圍內(nèi)的效率提高近一個(gè)數(shù)量級(jí),為納米能量傳輸提供了新思路。將共振原理應(yīng)用于納米光學(xué)中能量傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì),使得光能量被最大限度地傳輸?shù)郊{米范圍的材料中并被高效率吸收,在熱磁存儲(chǔ)(Heat Assisted Magnetic Recording, HAMR)中,使能量耦合到40納米范圍內(nèi)的效率達(dá)到10%,解決了硬盤(pán)中,在納米區(qū)域?qū)崿F(xiàn)高溫光加熱問(wèn)題。利用共振原理和縱波激光束的縱向電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)光能量在納米范圍內(nèi)的傳輸方法的提出,為納米光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了優(yōu)化和評(píng)價(jià)依據(jù),提高了光能量在納米系統(tǒng)中的傳輸效率和能量被材料的吸收效率。
2013年,王海鳳作為“東方學(xué)者”計(jì)劃中的一員,告別了新加坡這一花園城市,成為上海理工大學(xué)的教授。在此之前,他已經(jīng)發(fā)表學(xué)術(shù)論文20余篇,合作出版國(guó)外專(zhuān)著兩部,獲國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利1項(xiàng),國(guó)際會(huì)議特邀報(bào)告8次。促使他下定決心的,除了一顆赤子之心,還有國(guó)內(nèi)日趨扎實(shí)的科研氛圍、對(duì)莊松林院士等前輩的敬佩之情。
入職之后,王海鳳開(kāi)始作為所長(zhǎng),組建成像光學(xué)研究所,截止目前,成像光學(xué)研究所已有20多個(gè)成員。王海鳳為研究所規(guī)劃了的明確的研究方向,正在積極發(fā)揮著引領(lǐng)作用。
他說(shuō)“我的管理原則,就是給大家更多的自由度,不在行政上約束他們,而是讓每一個(gè)研究人員都有自己的空間。多以科研思想引導(dǎo),輔以寬松化的管理,才能更好地推動(dòng)創(chuàng)新。而對(duì)于學(xué)生,他們有問(wèn)題,我會(huì)給他們提供思路和方法,讓他們自己去實(shí)踐和總結(jié),提升他們的科研能力。”
至于自己的研究方向,他也有清晰的思路,首先就是開(kāi)展波矢量和偏振控制在遠(yuǎn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)納米光學(xué)聚焦研究:“我想開(kāi)發(fā)一個(gè)遠(yuǎn)場(chǎng)超分辨掃描納米光學(xué)成像系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)50納米左右的光學(xué)分辨率。在實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)50納米光學(xué)分辨率方面,我的想法是結(jié)合波矢量調(diào)控技術(shù)和成像系統(tǒng)的信息通道調(diào)控技術(shù),把遠(yuǎn)場(chǎng)掃描成像系統(tǒng)的極限分辨率提高一倍,即達(dá)到1/8波長(zhǎng),這個(gè)理論模型我已經(jīng)建好了,目前正在做實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。我們知道,一般的共焦掃描光學(xué)顯微鏡的分辨率是1/(4NA)波長(zhǎng),因此在最大數(shù)值孔徑接近1時(shí),分辨率是0.25波長(zhǎng)。通過(guò)偏振和位相調(diào)控,在焦點(diǎn)處可以實(shí)現(xiàn)大約0.4波長(zhǎng)的光斑,也就是0.2波長(zhǎng)的分辨率,這種方法最高可以獲得最高0.18波長(zhǎng)的截止分辨率。我想基于對(duì)光學(xué)系統(tǒng)是信息通道的理解,通過(guò)信息通道調(diào)控的方法,來(lái)繼續(xù)提高成像系統(tǒng)的分辨率,目標(biāo)是達(dá)到1/16波長(zhǎng)即大約25納米的光學(xué)分辨率?!?/p>
征程萬(wàn)里云鵬舉,敢立潮頭唱大風(fēng)。正是王海鳳這樣的引領(lǐng)者,從實(shí)驗(yàn)室走向科研戰(zhàn)場(chǎng),我們才得以窺見(jiàn)納米量級(jí)的微觀世界。新知世界的大門(mén)向勤奮、堅(jiān)韌與智慧打開(kāi),迎接他的,將是更廣闊的戰(zhàn)場(chǎng)與更榮耀的成功。科