基于距离分辨的激光雷达技术研究进展

激光雷达是对空间目标进行远距离高精度探测、跟踪监视的重要技术手段之一,基于距离分辨的激光雷达探测系统相比于传统的成像系统,具有整体结构简单、受大气干扰小等特点。国内外研究机构对该技术领域开展了大量研究,主要介绍了高分辨率回波探测及反射断层成像激光雷达的发展现状,总结和比较了国内外在理论算法、仿真分析、实验测试及实际应用等方面的进展,分析了二者的技术特点,展望了其发展前景。     

单分子三维取向超分辨成像技术进展（特邀）

超分辨显微成像技术自诞生以来,凭借其优异的纳米级空间分辨率,已成为生命科学研究中精准揭示复杂生命现象的重要成像技术。其中,基于单分子定位的超分辨成像策略,使得定位、观察、研究单个探针分子独特的理、化、光学性能成为可能。偏振作为荧光信号的一个重要特性,近年来伴随着单分子三维取向成像技术的发展,逐步在单分子成像和超分辨领域中展示出诸多新颖且重要的应用特性。本文总结了单分子三维取向超分辨成像技术的最新进展,介绍并分析了两类主要的单分子三维取向荧光显微技术——基于荧光吸收与辐射偏振调制的单分子三维取向成像方法以及利用点扩散函数工程将单个荧光分子的三维取向信息编码到荧光图像上的成像策略。此外,还探讨了应用于活细胞或单颗粒的其他类型的超分辨取向成像技术。最后,针对单分子三维取向超分辨成像技术发展与应用前景面临的挑战,进行了总结与展望。     

超分辨显微技术在活细胞中的应用与发展

细胞是生命体的基本单位和功能单位,对活细胞内部结构及其功能的研究是了解掌握生命本质的基础之一,因此活细胞的实时观测对生命科学的发展具有重要意义。传统的光学显微技术受衍射极限的限制,无法观测200 nm以下的生物结构细节。近20年来,随着超衍射极限光学理论、技术、器件和荧光探针等方面的快速发展,超分辨显微成像技术已成为应用于生命科学研究的重要手段。然而,大多数超分辨显微方法或测量耗时长,或易引起荧光蛋白漂白/细胞损伤,在活细胞研究中受到极大限制,已成为超分辨显微领域重点攻关的方向之一。为此,文中结合作者在快速超分辨显微技术研究的基础上,介绍了基于单分子成像的光激活定位显微技术和随机光学重构显微技术、基于荧光非线性可饱和光转换的受激发射显微技术以及基于结构光照明的超分辨显微技术,并探讨了在活细胞成像中的发展应用。最后,文中展望了超分辨显微成像技术在活细胞成像中的未来发展趋势。     

随机光学重构显微术及其应用研究进展

在光学显微成像领域,涌现出一批可以突破衍射极限的超分辨显微成像技术,极大地增强了人们研究亚细胞结构的能力。基于单分子定位技术的随机光学重构显微术（Stochastic Optical Reconstruction Microscopy,STORM）具有易懂的成像原理、简单的工作方式以及超高的分辨率等特点,受到越来越多的研究者青睐。首先,介绍了单分子定位技术的原理,讨论了STORM光路的搭建,阐述了二维和三维STORM超分辨显微成像原理。其次,探讨了多色STORM以及STORM与电镜关联成像现状。最后介绍了STORM技术现阶段的应用进展。     

光电子显微术的原理和应用

近十年来,光电子显微技术取得了长足进步并已商业化。光电子显微是一种高衬度的成像技术,对材料表面电子结构高度敏感。本文介绍光电子显微镜的成像原理,并着重分析其衬度机制。简要总结光电子显微术在表面结构分析,表面化学,磁学,以及半导体器件表征等方面的应用。目前光电子显微术的两个重要发展方向是利用同步辐射光源和脉冲激光光源做激发源;利用脉冲激光的多光子激发光电子显微术可以对较高功函数（大于光子能量）的材料成像;而脉冲时间分辨光电子显微术可用来研究表面瞬态电子的弛豫动力学机制。文章介绍了在实现飞秒时间分辨以及多光子激发的光电子显微方面的进展。我们利用多光子光电显微术对溅射制备的纳米结构银薄膜表面进行成像,结果表明多光子成像照片上存在一些高强度的亮点,而在单光子成像照片未观察到类似现象。推测这些亮点源于纳米结构银表面的等离子激元的高局域选择性激发。文章还介绍了利用光电子显微术原位观察CuZnAl形状记忆合金的热诱导相变。     

高通量单分子定位显微成像技术进展（特邀）

由于衍射极限的存在,传统的光学成像手段无法观测细胞器结构及细胞器之间的相互作用。单分子定位显微成像技术作为三种超分辨技术中分辨率最高的成像技术,为生命科学领域的研究提供了重要手段。大视场高通量单分子成像技术具有分辨率高、成像范围大和成像时间短等特点,在生物医学领域广泛用于观察和分析复杂的生物结构和功能。从基于硬件扫描的拼接成像技术、基于大面阵sCMOS的大视场高通量成像技术、大景深单分子定位成像技术、高通量数据分析技术4个方面回顾近年来大视场高通量单分子定位技术的研究进展。最后,对大视场高通量单分子定位成像技术的发展方向进行展望。     

三维超分辨显微成像技术的研究进展及展望

超分辨显微成像技术是细胞生物学中研究细胞器结构、相互作用和蛋白质功能的强大工具,其具有突破光学衍射极限的分辨能力,从纳米尺度上为细胞生物学提供了新的分析手段,对生命科学相关领域具有重大意义.然而,受衍射极限的影响,超分辨显微镜的轴向分辨率相比于横向分辨率要更难以提高,这导致实现细胞结构亚百纳米分辨率的三维成像更为困难.从受激辐射损耗显微术和单分子定位显微术这两种主流技术出发,对目前存在的多种三维成像技术进行了原理介绍和特点分析,最后对其未来发展方向进行了展望.     

超分辨显微成像技术在细胞器相互作用研究中的应用（特邀）

观察细胞器间动态相互作用,深入分析作用规律,对于揭示生理病理过程现象背后的机制具有十分重要的意义。传统光学显微镜受到由光波波长和孔径造成的衍射极限的限制,无法观测细胞器纳米级精细结构及细胞器间相互作用的动态变化规律。超分辨显微成像技术的出现为细胞器相互作用研究提供了重要手段,在深入揭示细胞器相互作用规律,阐明生理病理现象深层的机制研究中发挥了重要的作用。文中介绍了受激发射损耗（Stimulated emission depletion, STED）显微成像、结构光照明显微成像（Structured illumination microscopy, SIM）、单分子定位显微成像（Single molecule localization microscopy, SMLM）技术,并总结了这三类超分辨显微成像技术在细胞器相互作用中的应用与现状,为超分辨显微成像技术在细胞器相互作用研究中的应用提供思路拓展。最后,对超分辨显微成像技术在细胞器相互作用研究中的优势与不足进行分析总结,展望了超分辨显微成像技术在活细胞内细胞器相互作用成像中的需求发展趋势,为光学与医学及生物学的交叉融合发展提供一定的参考。     

超快光电子显微技术在纳米光子学中的应用

对超快光电子显微技术的基本原理和主要应用进行了简单介绍。着重介绍了超快光电子显微镜在纳米光子学,特别是在表面等离激元光子学领域中的研究进展,主要包括近场成像、近场光谱以及时间分辨的动力学过程。这些研究有助于更直观深刻地理解表面等离激元的基本性质、不同模式之间的相互作用,以及更好地设计及拓展表面等离激元的应用。最后,对该技术的应用前景进行了展望。     

分子滤光红外成像技术及其在光电探测中的应用（特邀）

随着红外成像技术对时间分辨率、空间分辨率、光谱分辨率及光学稳定性需求的不断提升,四者之间的制约矛盾愈加激化。分子滤光器是一种具有梳状离散透射谱型的滤波器件,依靠分子能级跃迁对光波长的分辨实现选择性透射,其效果是光学的,机理是量子的,为该矛盾的解决提供了新的途径。基于分子光谱理论,给出了差量吸收型、磁致旋光型及多普勒调制型三类分子滤光成像技术的工作机理与理论模型,结合研究团队相关工作,分别介绍了差量吸收型分子滤光在机动车尾气遥感监测、磁致旋光型分子滤光在燃烧诊断以及多普勒调制型分子滤光在星载大气风场温度场遥感领域的应用,最后分析了三种机理滤光方法的技术特点与适用性。     

单分子中心定位精度与信噪比关系及中心定位算法改进研究

本文从理论和实验两个角度研究单荧光分子中心定位精度与信噪比的关系,提供了一种相对简单的方法来确定基于单分子中心定位技术的超高分辨显微成像系统的分辨率。特别是,本文给出一种提高定位精度的像素重建算法,在信噪比等条件不变的情况下,该算法可有效改善单分子定位精度,从而提高超高分辨成像系统的分辨率。     

激光驱动电子以绘制原子全息图

全息摄影术通常让人想到艺术性的三维图像，但它也能广泛用于多种领域。据报道，在最新研究中，一个由荷兰、德国和法国等多国科研人员组成的研究团队，通过激光驱动电子运动，建立了原子全息图。该技术有助于发展超快光电子能谱学，将来这种全息图像能让科学家以更直接的方式研究分子结构。     

超快脉冲整形及其应用

正随着超快脉冲整形技术的发展,通过在频域上控制激光光谱的相位和幅度可以获得时域上任意形状激光脉冲,因而飞秒激光已经由过去的测量工具转变到现在的控制工具、实践证明,超快脉冲整形技术为研究光与原子分子非线性相互作用提供了前所未有的实验技术手段。目前,这种超快脉冲整形量子相干控制技术已经成为国际上研究热点领域之一,并且被广泛应用在物理、化学、生物、工程等各个学科领域。在这次报告中,将重点介绍课题组最近几年在基于超快脉冲整形控制实现原子分子超快量子调控的理论和实验研究进展,其中包括共振与非共振多光子吸收增强和抑制;相干反斯托克斯拉曼光谱窄化、增强以及选择激发;共振增强多光子电离光电子能谱窄化和增强;分子排列与取向程度提高等等、此外,简单介绍课题组下一步科研工作的研究计划、     

超分辨成像中荧光分子定位算法性能比较

超分辨成像已成为活细胞结构和功能成像的关键工具,荧光分子定位是超分辨成像过程中不可缺少的步骤。从超分辨成像角度研究各种荧光分子定位算法性能具有重要的意义。选择5种典型的荧光分子定位算法:质心法、广义质心法、高斯拟合、解线性方程组和极大似然法,以定位精度和定位时间来评价所选择算法的性能。结果表明,1)高斯拟合、极大似然法和广义质心法能高精度对荧光分子定位,不受荧光分子所在子区域提取的影响;2)质心法和解线性方程组法能应用于图像在线分析,但定位精度较低,受子区域提取影响较大;3)当两个荧光分子位于一个衍射斑时,采用这5种算法的定位精度都会急剧下降。     

偏振荧光显微成像技术及研究进展（特邀）

生命体是由大量有机排列的分子组成的,其结构不仅与分子的位置分布有关,还与分子的排列方式和空间取向有关。偏振荧光显微成像技术利用荧光的偏振特性,能够对生物结构的分子取向进行观测和成像,进而从分子层面揭示生命活动的功能和代谢信息,有力推动了生物医学相关领域的研究和发展。本文从偏振荧光成像原理出发,对目前存在的多种偏振荧光显微成像技术进行原理介绍和现状分析,列举了其在生物医学领域的相关应用,讨论了其发展趋势及前景,旨在为该领域的科研人员了解偏振荧光显微成像技术提供参考。     

飞秒激光场中原子/分子的隧道电离及应用

综述了强激光场作用下原子的光电离动力学最新进展,着重分析了非绝热隧道电离中的隧穿出口光电子动量分布,得到分子坐标系中隧道电子角分布,实现分子内层轨道成像;采用电场矢量同向旋转的双色(400 nm+800 nm)圆偏振激光实现双指针阿秒钟干涉技术,该技术可以测量光电子波包的相位和振幅;基于具有较大自旋-轨道耦合效应的原子(氙原子),通过圆偏振激光中的多光子电离过程,可产生具有高自旋极化度的光电子。最后对目前超快强场物理的研究前景和发展趋势进行简单的介绍。     

基于微球调制光场的超分辨成像及荧光增强

微球可实现光场的调制，能够将入射光束聚焦于微球背面一个极窄区域，使得出射光束半峰全宽小于光学衍射极限，且聚焦强度远远高于入射光场强度。此外，微球具有高数值孔径特性，能够提高探测信号的收集效率。基于所述优势，微球为实现光学超分辨成像以及荧光增强提供了新思路和实现途径。相比传统技术，基于光学微球的超分辨成像及荧光增强技术更简便、更直接且易于实现，其成像及增强效果均可媲美传统超分辨技术与荧光增强技术，在生物成像及医学检测方面，具有重要的研究价值和应用前景。近年来，关于微球调制光场实现荧光增强的研究取得了较大发展，但与之相关的综述论文仍较少。系统总结阐述微球增强荧光发光以及微球调制光场技术，对于该领域的未来研究发展极为重要。首先介绍基于微球的光学超分辨成像，包括明场超分辨成像和荧光超分辨成像；然后阐述基于微球的荧光增强研究，包括现象研究、机制探索以及影响因素讨论等；最后，总结微球超分辨成像及荧光增强进展和技术应用，分析并展望该技术领域的未来发展挑战和趋势。     

基于多测量矢量压缩感知的超分辨荧光显微成像研究

在超分辨荧光显微成像技术中,单分子定位显微方法是被广泛应用的技术之一。根据荧光显微成像原理构造多测量矢量压缩感知模型（Multiple Measurement Vector-Compressed Sensing, MMV-CS）,并采用多重稀疏贝叶斯学习算法进行求解,来实现超分辨荧光图像重建。分析了有效像元大小、荧光分子生成的光子数和背景信号泊松化噪声对重建结果的影响,以及在图像进行分块处理时算法运行时间的分析。模拟和实验计算分析表明,当点扩展函数的标准差在160 nm时,有效像元大小在120、160、200 nm能取得较好的重构效果,而在60 nm时效果较差。探测器收集的光子数越多,重构效果越好,随着背景信号光子数增加时,离得越近的样品结构越不能分辨。在同样的分块处理情况下,MMV-CS比同伦算法(L1-Homotopy, L1-H）和凸优化算法(CVX)分别快一个数量级和三个数量级,因此,在研究三维超分辨荧光显微成像时,MMV-CS算法在运行时间上具有更大的优势。     

利用真空紫外激光发现新电子耦合模式

中科院物理所近日宣布,以中国科学家为主的研究人员利用中国研制的国际第l台真空紫外激光角分辨光电子能谱仪,在高温超导体研究中观察到了一种新的电子耦合模式。中科院院士于渌指出,这是使用真空紫外激光角分辨光电子能谱仪,在研究超导体的电子能谱结构方面,第1个在中国本土上产生的结果。     

光声分子影像

光声分子影像是近期发展起来的新型无创在体影像技术。该技术结合了光声层析成像和分子影像,具有成像深度深、分辨率高和特异性强的优点。光声分子影像已经被广泛用于活体动物实验中,在对一些恶性肿瘤和炎症的检测中获得了令人振奋的结果。重点介绍了光声分子影像的机制和研究现状,并对其应用前景进行展望。