超分辨成像之戰(zhàn)

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。

追光溯源，是他永恒的信念

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)外頂尖專家的引領(lǐng)下，王海鳳博士的科技視野和專業(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)。

尋求突破，沒(méi)有不可逾越的極限

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?！?/p>

有的放矢，光學(xué)縱波“第一人”

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?！边@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。

搭建團(tuán)隊(duì)，思想傳承是最好的管理工具

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)外專著兩部，獲國(guó)家發(fā)明專利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?！?/p>

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。