研究成果

2023年，成像技术研究成果丰硕，无论是关键器件，还是相关的新技术、新仪器研制都取得了许多令人振奋的研究成果。徐涛/纪伟团队在多色超分辨显微成像技术领域取得新突破 2023年1月，中国科学院生物物理研究所徐涛院士团队与纪伟研究员团队提出了一种基于激发谱拆分的多色超分辨成像技术（ExR-STORM）。该技术通过激发效率差异来识别不同的远红荧光探针，实现了四色单分子定位超分辨成像。ExR-STORM提供了一种单分子识别新方法，并进一步提高了单分子光谱拆分能力。成像结果表明该技术具有光谱拆分能力强、色差导致的定位误差小等优点，在细胞器互作、生物大分子共定位分析等生物研究领域具有广泛应用前景。程和平/王爱民团队开发深脑成像利器：微型化三光子显微镜2023年2月，北京大学程和平、王爱民研究团队在《自然-方法》杂志在线发表了一项最新研究成果：一款重量仅为2.17克的微型化三光子显微镜能直接透过大脑皮层和胼胝体，首次实现对自由行为中小鼠的大脑全皮层和海马神经元功能成像，一举突破了此前微型化多光子显微镜的成像深度极限。从2.2克微型双光子显微镜，到空间站双光子显微镜，再到2.17克微型化三光子显微镜，程和平院士带领团队不断刷新“世界首次”的纪录。我国高端磁兼容脑PET功能成像仪器实现零突破2023年2月，中国科学院深圳先进技术研究院成功研发国内首台高清晰磁共振兼容人脑PET功能成像仪器（命名为“SIAT bPET”），实现了我国在高端磁兼容脑PET成像仪器研发方面零的突破。与国外同类商业仪器相比，SIAT bPET的效率提高近2倍，平均体分辨率提高30倍以上。同时，仪器采用了创新的电子学和磁兼容设计，使得磁共振成像对PET成像的影响几乎可以忽略不计，PET成像对磁共振成像图像信噪比的影响小于5%，满足同时开展PET/MRI成像的尖端科研需求。香港城市大学成功研制高时空分辨率电子显微镜2023年4月20日，由香港城市大学深圳福田研究院院长陈福荣教授团队研制的“高时空分辨率电子显微镜”正式发布。该成果是我国首台自有知识产权的高时空分辨率电子显微镜，也是世界上第一台同时具备低电压、场发射、扫描透射一体化模式的紧凑型电子显微镜。系统包括脉冲电子源、超快相机、分段抽气真空系统及像差校正器，团队拥有相关的知识产权并可自由设计系统，特定电子显微镜的售价有望降到目前市场同类产品六成。戴琼海院士团队开发新型双光子合成孔径显微成像术2023年5月，清华大学戴琼海院士团队在Cell期刊发表最新研究论文，首次提出了基于空间约束的多角度衍射编码，实现非相干光孔径合成；建立了双光子合成孔径显微术（2pSAM），可以实现深层组织毫秒级的亚细胞三维成像，显著降低光毒性(相当于比TPM慢1000倍以上)。2pSAM能够在哺乳动物深层散射组织中非侵入式观测大范围亚细胞级动态变化，将毫秒级三维连续观测时长从数分钟提高到数十小时，为系统性地研究大规模细胞在不同生理与病理状态下的交互作用打开了大门。西安光机所太赫兹消色差超透镜研究取得进展2023年5月，中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室在太赫兹频段可变焦消色差超透镜领域取得新进展。研究团队采用几何相位和传输相位相结合的方式，巧妙设计超透镜单元结构的排布方式与空间取向，采用单层超透镜实现了太赫兹波的宽频带聚焦，有效消除了色差现象。该成果为设计多功能消色差超透镜提供了新思路，有望进一步拓展太赫兹频段超透镜在显微成像和内窥镜等领域的实际应用。生物物理所开发冷冻结构光照明与电镜关联成像新技术2023年5月，中国科学院生物物理研究所研究团队在前期研发的冷冻光电关联成像高真空光学冷台HOPE基础上，通过引入结构光照明成像技术，成功研制了冷冻结构光照明成像系统HOPE-SIM，实现了横向优于200纳米的光学分辨率，以及优于150纳米的光镜-聚焦离子束三维关联对齐精度。HOPE-SIM通过冷冻样品杆直接衔接三束共焦光电关联成像系统ELI-TriScope，在实现高分辨三维冷冻荧光成像的同时，可以完成后续原位荧光实时监控聚焦离子束减薄全技术流程，在原位结构生物学中有巨大应用潜力。7T超高场无液氦磁共振成像系统关键技术通过鉴定2023年8月，由中国科学院电工研究所、北京大学、北京斯派克科技发展有限公司联合完成的“7T超高场无液氦磁共振成像系统关键技术”通过成果鉴定，鉴定委员会一致认为，该技术成果整体处于国际领先水平。成果面向无液氦超高场磁共振成像重大需求，开展了超导磁体传导冷却、超导匀场线圈精准调控、梯度线圈工程优化和超高场射频线圈设计优化等一系列关键技术研究，成功研制出7T超高场无液氦磁共振成像系统，并在生物体成像检测中得到应用。新方法成功将超透镜成像分辨率提高一个量级2023年8月，来自香港大学、国家纳米科学中心和英国帝国理工学院等机构的研究人员展开合作，分别从微波频段和光频段进行实验设计合成复频波的超透镜，成功将超透镜成像分辨率提高约一个量级，有望对光学成像领域产生巨大影响。该方法还可以针对不同的系统和几何形状进行定制化应用，为提高多频段光学性能、设计高密度集成光子芯片等方向提供了一条潜在途径。相关研究成果已在线发表于国际著名期刊《自然》。新一代无液氦亚3K低温扫描探针显微镜研制获进展2023年9月，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心郇庆研究员团队与高鸿钧院士团队合作，研制了一套技术就绪度为TRL8级的无液氦亚3K低温SPM系统。该系统将低频大幅震动的制冷机安装在远端的独立制冷腔体，颠覆了现有无液氦SPM近端安装制冷机的方式。经过测试验证，该设备在非接触原子力显微镜原子级分辨成像、扫描隧道谱以及非弹性电子隧道谱的性能方面，达到了与传统液氦杜瓦的湿式SPM系统相媲美的水平。西工大研发平面超分辨多色立体显微成像新成果2023年9月，西北工业大学与香港城市大学合作在平面超分辨多色立体显微成像研究中取得重要进展，相关研究成果已发表在国际著名期刊Nature Communications上。该研究以平面超振荡透镜为研究对象，提出多焦点拼接延长焦深及多波长复消色差可控优化设计方法，首次展示了荧光标记神经元细胞的多色荧光三维成像，获得了高数值孔径透镜下的大视场、消色差、长焦深远场超分辨聚焦，有望为国产化高端显微成像系统提供底层硬件解决方案，推动我国高端显微成像系统自主研发进程。国防科技大学实现反射层析激光雷达三维超分辨成像2023年11月，国防科技大学胡以华教授团队创新性提出了反射层析激光雷达三维成像技术架构，建立了激光探测的多角度多视场交叠取样、窄脉冲激光回波的高速高保真采集及图像重构融合处理方法，研制出反射层析激光雷达三维成像实验系统。本成果取得了超过同口径光学成像衍射极限的远距离小目标超分辨成像能力，其成像分辨率居激光成像领域国内外最优水平，特别是通过独创的技术手段和处理算法首次得到立体目标结构的十千米距离厘米级超分辨三维成像结果。

电子科技大学饶云江教授(杰出青年基金获得者、OSA/SPIE Fellow)团队、国防科技大学周朴研究员(优秀青年基金获得者)团队在国家自然科学基金重大项目课题(61290312)与青年基金项目(61205048)支持下，在随机光纤激光器领域取得突破性研究进展，相关成果入选由美国光学学会(OSA：Optical Society of America)组织评选的2014年全球光学重要进展。近日，该学会旗舰杂志《Optics & Photonics News》(OPN)2014年12月专刊《Optics in 2014》以&ldquo Random Fiber Laser: Simpler and Brighter&rdquo 为题对该成果进行了亮点报道。 　　OPN每年年末会出版一期专刊，以亮点形式报导由OSA评选出的该年度全球光学领域最突出的30项研究成果。今年参与竞争的成果数量达到了创纪录的200项(包括为数众多的发表在Nature及其子刊上的成果)，竞争十分激烈。随机光纤激光器是今年中国大陆作为第一单位入选的两个成果之一，也是OPN历史上中国大陆第二次入选(上一次在2008年)，这次成果入选显著提升了我国在光学和光子学领域的国际影响力，标志着我国光纤随机激光器的研究已经步入国际一流行列。 　　该研究成果主要来自上述两个科研团队2014年发表在《IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics(JSTQE)》和《Laser Physics Letters(LPL)》发表的学术论文。两篇论文的第一作者分别为王子南副教授、博士生张汉伟。JSTQE论文首次提出了实现高功率光纤激光器的新思路，实现了结构更简单、性能更稳定、光转换效率更高的连续随机光纤激光器 LPL论文实验展示了基于标准通信光纤的高功率光纤随机激光器，创造了随机光纤激光器输出功率的世界纪录。 　　上述工作为实现新一代高功率光纤激光器开辟了一个新的研究方向。 　　光纤随机激光器相比传统光纤激光器最大的不同之处在于无需腔镜，具有波长可调、结构简单、转换效率高、可靠性高、功率可定标放大等突出优点，有望形成新一代的无纵模高功率光纤激光器，在光纤传感、光纤通信、3D打印、激光手术、激光成像、高能激光等多个领域具有重大应用价值。 　　注： 　　Optics in 2014专刊链接：http://www.osa-opn.org/home/articles/volume_25/december_2014/features/optics_in_2014/#.VH6iKHExiV8 　　IEEE JSTQE论文链接：http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=6868231&tag=1 　　IOP LPL论文链接：http://iopscience.iop.org/1612-202X/11/7/075104

电子科技大学饶云江教授(杰出青年基金获得者、OSA/SPIE Fellow)团队、国防科技大学周朴研究员(优秀青年基金获得者)团队在国家自然科学基金重大项目课题(61290312)与青年基金项目(61205048)支持下，在随机光纤激光器领域取得突破性研究进展，相关成果入选由美国光学学会(OSA：Optical Society of America)组织评选的2014年全球光学重要进展。近日，该学会旗舰杂志《Optics & Photonics News》(OPN)2014年12月专刊《Optics in 2014》以&ldquo Random Fiber Laser: Simpler and Brighter&rdquo 为题对该成果进行了亮点报道。 　　OPN每年年末会出版一期专刊，以亮点形式报导由OSA评选出的该年度全球光学领域最突出的30项研究成果。今年参与竞争的成果数量达到了创纪录的200项(包括为数众多的发表在Nature及其子刊上的成果)，竞争十分激烈。随机光纤激光器是今年中国大陆作为第一单位入选的两个成果之一，也是OPN历史上中国大陆第二次入选(上一次在2008年)，这次成果入选显著提升了我国在光学和光子学领域的国际影响力，标志着我国光纤随机激光器的研究已经步入国际一流行列。 　　该研究成果主要来自上述两个科研团队2014年发表在《IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics(JSTQE)》和《Laser Physics Letters(LPL)》发表的学术论文。两篇论文的第一作者分别为王子南副教授、博士生张汉伟。JSTQE论文首次提出了实现高功率光纤激光器的新思路，实现了结构更简单、性能更稳定、光转换效率更高的连续随机光纤激光器 LPL论文实验展示了基于标准通信光纤的高功率光纤随机激光器，创造了随机光纤激光器输出功率的世界纪录。 　　上述工作为实现新一代高功率光纤激光器开辟了一个新的研究方向。 　　光纤随机激光器相比传统光纤激光器最大的不同之处在于无需腔镜，具有波长可调、结构简单、转换效率高、可靠性高、功率可定标放大等突出优点，有望形成新一代的无纵模高功率光纤激光器，在光纤传感、光纤通信、3D打印、激光手术、激光成像、高能激光等多个领域具有重大应用价值。 　　注： 　　Optics in 2014专刊链接：http://www.osa-opn.org/home/articles/volume_25/december_2014/features/optics_in_2014/#.VH6iKHExiV8 　　IEEE JSTQE论文链接：http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=6868231&tag=1 　　IOP LPL论文链接：http://iopscience.iop.org/1612-202X/11/7/075104