利用空间纠缠光子进行定量相位梯度显微成像

以温和的光线窥见不可见之物

许多在生物学和材料科学中最重要的样品——例如活细胞、组织切片或薄膜——几乎是透明的。它们几乎不吸收光，因此在普通显微镜下只呈现为微弱的影像。本文介绍了一种新方法，能将这些几乎看不见的差异转化为清晰、可测量的图像，既能显示样品的形态，也能反映其内部厚度，同时所用光强极低。这使得该方法对脆弱、对光敏感的样品尤其有吸引力。

从模糊轮廓到精确地图

经典的相差显微镜在上世纪30年代问世，改变了生物学研究——它把细胞内部使光速改变的微小差异转化为可见的对比。然而，这些方法大多是定性观察——擅长看清结构，却难以准确测量厚度或折射率的精确值。现代“定量相位成像”方法试图把这些微小的相位延迟变为纳米级灵敏度的精确高度图。然而，它们通常依赖复杂的干涉仪、移动部件、微透镜阵列或需要大量图像和密集计算的处理流程。这些要求会使系统变得笨重、精密、运行缓慢并对环境噪声敏感。

纠缠光作为新型探测手段

作者提出并演示了一条不同的路径：使用量子光——尤其是成对的空间纠缠光子。这些光子对在特定晶体中同时产生，紧密关联：它们的位置高度相关，传播方向则高度反相关。在新型显微镜中，每对光子的两枚都穿过透明样品，但以两种不同方式被探测。一台相机记录一枚光子在精细的“近场”图像中的落点，另一台相机在“远场”记录其同伴光子的位置，在远场中光子的位置揭示了方向的细微变化。通过仅关注以真实对到达的光子，并分析它们的联合分布，系统无需干涉仪或扫描即可同时恢复样品的亮度和跨视场的厚度变化。

将微小光偏折转为高度图

当光通过样品中光学厚度缓慢变化的区域时，其波面会轻微倾斜，像水流经过浅坡一样。在该方法中，这些局部斜度表现为伙伴光子在远场相机中落点的微小偏移。对于近场图像中的每个像素，研究人员计算相关远场斑点的平均偏移；该偏移直接对应局部“相位梯度”，即该点处光学厚度变化的速率。随后通过数学重构将所有这些局部梯度拼接成完整的相位地图，可被读取为物体的有效厚度图。用标准测试图样，研究团队表明能够解析最小约2.76微米的特征，并准确测量约为光波长百分之一的相位阶跃，同时样品照明功率仅约一百飞瓦——比典型激光笔弱数十亿倍。

在噪光中也能看清

现实成像常受杂乱、可变背景光干扰，例如荧光标记或其他杂散光源的光辉。传统的相位梯度方法容易被此类背景严重扭曲，通常需要额外步骤来测量或滤除背景。在这里，纠缠光子对的内在时间相关性成为强大的滤波手段。相机记录每个探测到光子的到达时间，仅在紧时间窗内到达的那类对被视为来自纠缠源。通过在偏移的时间窗中测量“意外”巧合——在该窗内不应出现真实对——研究人员能够估计随机背景光的贡献并予以扣除。他们展示了即便在刻意加入强且移动的背景束的情况下，这种校正也能恢复更准确的相位图像。

温和而精确成像的新可能性

这项工作提出并验证了一种概念性显微镜——称为量子相关相位梯度显微镜——它在没有干涉仪、无移动部件或迭代猜测优化算法的情况下，提供透明样品的精确定量图像。该方法在极低光强下工作，使其对敏感生物样品研究具有吸引力，并且天然耐受复杂、随时间变化的背景光。除了活细胞成像，作者还设想该方法可用于微调光学系统、探测脆弱材料，并随着探测器技术的进步，最终扩展到三维成像。

引用: Zhang, Y., Moreau, PA., England, D. et al. Quantitative phase gradient microscopy with spatially entangled photons. Nat Commun 17, 3108 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69881-4

关键词: 量子成像, 纠缠光子, 相位显微镜, 低光成像, 自适应光学