基于線性成像系統(tǒng)的光學(xué)超分辨顯微術(shù)回顧?

胡睿璇 潘冰洋 楊玉龍 張偉華

(南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院,南京大學(xué)固體微結(jié)構(gòu)物理國家重點實驗室,南京大學(xué)人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心,南京 210093)

基于線性成像系統(tǒng)的光學(xué)超分辨顯微術(shù)回顧?

胡睿璇 潘冰洋 楊玉龍 張偉華?

(南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院,南京大學(xué)固體微結(jié)構(gòu)物理國家重點實驗室,南京大學(xué)人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心,南京 210093)

(2017年3月29日收到;2017年6月21日收到修改稿)

隨著納米科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,如何打破光學(xué)衍射極限,將光學(xué)顯微術(shù)的分辨本領(lǐng)推進到納米尺度,已經(jīng)成為光學(xué)領(lǐng)域的一個核心議題.在此背景下,過去的三十年間,發(fā)展了多種超分辨光學(xué)顯微技術(shù),并在生物、材料、化學(xué)領(lǐng)域取得了一系列令人矚目的應(yīng)用.本文以衍射理論為線索,回顧各類基于線性成像系統(tǒng)的超分辨光學(xué)顯微技術(shù);對以固浸物鏡、結(jié)構(gòu)光照明、掃描近場光學(xué)顯微術(shù)、完美透鏡以及超振蕩透鏡為代表的超分辨光學(xué)顯微技術(shù)進行綜述,討論各種技術(shù)的原理,對其特點、應(yīng)用與局限加以總結(jié),并對該領(lǐng)域的未來發(fā)展予以展望.

衍射極限,空間頻率,超分辨

1 引 言

光學(xué)顯微術(shù)是人類科技史上最重要的發(fā)明之一,它將人類視覺的分辨本領(lǐng)從亞毫米,提高到亞微米,極大地拓展了人類在微米尺度上的認知,直接引發(fā)了生命科學(xué)的革命.雖然早在十七世紀(jì), Leeuwenheok顯微鏡的分辨率已經(jīng)達到了微米尺度[1],但直到1873年德國物理學(xué)家Abbe提出光學(xué)衍射極限,人類才真正從理論上認識光學(xué)顯微鏡的分辨能力并擺脫經(jīng)驗性的鏡片制備[2].而今天,隨著科技的發(fā)展,光學(xué)顯微鏡已不僅在于簡單的“看到”,而發(fā)展為一門集分辨能力、微區(qū)物理與化學(xué)分析能力以及超靈敏(甚至單分子)檢測靈敏度的平臺.而光學(xué)顯微術(shù)也因此成為一門涵蓋多個領(lǐng)域的綜合性學(xué)科,涉及到光的衍射理論[3]、光-物質(zhì)相互作用理論[4,5]以及微信號探測技術(shù)等重要方向[6,7].特別是光-物質(zhì)相互作用,以及單分子探測在過去的二十年內(nèi)已經(jīng)逐漸成長為兩個獨立的學(xué)科,亦有大量的文獻綜述,故此本文將討論的范圍限制在光學(xué)顯微術(shù)空間分辨能力這一光學(xué)顯微術(shù)的核心議題.

光學(xué)顯微鏡的分辨極限是Abbe所建立的光衍射理論的直接推論,它指出由于光的波動性,光學(xué)顯微鏡的分辨率不可以好于λ/2.后由Rayleigh給出理想點光源像的半高寬,即我們今日天所熟知的瑞利判據(jù)[3].為繞過這一物理極限,在過去的一個多世紀(jì)中提出了多種超分辨顯微術(shù).其中近場光學(xué)顯微術(shù)是最早提出的技術(shù),1928年,Synge[4]提出可以利用亞波長探測器在樣品的近場區(qū)域采集光信號并逐點掃描成像的方式實現(xiàn)超分辨成像,其中核心的思想是將含有樣品細節(jié)信息的非輻射成分,即隱失場的信息提取出來.由于實驗上的困難,近場掃描成像的想法直到20世紀(jì)70年代由Ash和Nicholls[8]在微波波段首次實現(xiàn),而光學(xué)頻段上的實現(xiàn)則一直等到20世紀(jì)80年代掃描隧道顯微技術(shù)被發(fā)明之后[9-11].今天掃描近場光學(xué)顯微鏡(scanning near- field optical microscope,SNOM)已經(jīng)發(fā)展成為一個龐大的家族,被應(yīng)用在生物、表面化學(xué)、材料分子、納米器件分析等重要領(lǐng)域[12,13].

隨著納米技術(shù)的發(fā)展,特別是等離激元光子學(xué)與超材料領(lǐng)域的興起,出現(xiàn)了一類新型的無需掃描的寬場型近場顯微技術(shù).其中最具代表性的是超透鏡與等離激元顯微鏡[14-16].這些技術(shù)不再需要掃描,只需將超分辨介質(zhì)、負折射率材料或金屬膜放置于樣品的近場區(qū)域,即可達到超分辨成像的目的.

與近場成像手段相呼應(yīng)的是基于遠場技術(shù)的超分辨光學(xué)顯微術(shù),尤其是基于熒光技術(shù)的超分辨光學(xué)顯微術(shù).特別是近十年間,基于熒光的超分辨顯微術(shù)已經(jīng)成為生物成像領(lǐng)域中的重要分支,為了解亞細胞層次的生理過程提供了一種原位、實時、高精度的研究手段.具體而言,基于熒光樣品的超分辨顯微術(shù)可分為兩類,即結(jié)構(gòu)光照明熒光顯微鏡和基于熒光物質(zhì)的非線性響應(yīng)的超分辨顯微術(shù).前者將照明光的空間頻率與樣品的空間頻率進行混頻[17],可將分辨能力提高一倍;后者是以STED(stimulated emission depletion microscopy)、PALM(photo-active localization microscopy)/STORM(stochastic optical reconstruction microscopy)為代表的一類成像方法[12,13,18,19],此類基于熒光的開關(guān)特性,通過確定熒光分子的高精度定位而獲得超高空間分辨能力.由于在生命科學(xué)領(lǐng)域的重要影響,S.W.Hell和E.Betzig因發(fā)明STED和PALM技術(shù)而于2014年被授予諾貝爾化學(xué)獎.

除去以上方法之外,研究者對其他新型遠場超分辨手段也進行了不斷的探索,其中最有影響力的是超振蕩技術(shù)(super oscillatory lens)[20].其在物理原理上利用光場在局域的快速振蕩來繞過衍射極限,從而實現(xiàn)遠場超分辨的目的.使用該技術(shù),研究者已經(jīng)在光學(xué)頻段成功演示了光在遠場區(qū)域的亞波長聚焦與成像.

從上述討論中可以看出,超分辨技術(shù)根據(jù)實現(xiàn)的方法大概可以分為兩類：儀器層面的超分辨和后處理超分辨.儀器超分辨如近場光學(xué)顯微鏡,將含有超分辨信息的近場細節(jié)通過散射引入到遠場達到打破衍射極限的目標(biāo).而基于后處理的超分辨技術(shù)則?；诠夂蜆悠返姆蔷€性作用,如PALM/STORM.這一方法依賴于樣品的一些預(yù)知信息,即樣品由稀疏的發(fā)光點組成,通過計算得到被成像系統(tǒng)丟失掉的信息.事實上,依賴于樣品預(yù)知信息的光學(xué)顯微術(shù)已經(jīng)成為一門獨立的學(xué)科,并有很多綜述對此進行了充分的論述[21,22].為了本文理論框架的完整性,我們的討論限制在第一類儀器層面的超分辨技術(shù).

本文具體組織如下：首先給出線性光學(xué)成像系統(tǒng)的理論框架、光衍射極限的物理本源、并討論打破衍射極限的途徑;接下來將按照不同原理對線性超分辨光學(xué)顯微鏡的原理與應(yīng)用分別進行論述;最后總結(jié)并展望光學(xué)超分辨領(lǐng)域的發(fā)展.

2 線性光學(xué)成像系統(tǒng)

迄今我們所看到的絕大多數(shù)成像系統(tǒng)都可以看作一個線性的系統(tǒng),如圖1(a)所示,光從樣品到像面的過程在數(shù)學(xué)上可以用擾動與響應(yīng)來描述：

這里f(r)是攜帶樣品光學(xué)信息的光場,g(r)是像, h是光學(xué)系統(tǒng)的點擴散函數(shù).這一描述同時適用于相干與非相干系統(tǒng).對于相干系統(tǒng),系統(tǒng)對于復(fù)振幅為線性,而對于非相干系統(tǒng),系統(tǒng)對于強度為線性.

數(shù)學(xué)上為方便討論,需要把(1)式,映射到動量空間.利用卷積定理,(1)式可寫成

是h(r)的傅里葉變換,也叫做傳遞函數(shù).(2)式從物理上來講,像是由物通過一個由光學(xué)系統(tǒng)定義的、在空間頻率上的濾波器的結(jié)果.

在自由空間中,只有當(dāng)k＜2π/λ的信息才能夠傳播到處于像面的遠場,而空間頻率大于2π/λ的信息將被束縛在樣品表面.為此將H(k)可以看作一個低通濾波器,對應(yīng)高空間頻率信息(k＞2π/λ)將形成隱失波不能傳播到像面,從而導(dǎo)致信息丟失.這就造成了所謂的Abbe衍射極限.

上面的數(shù)學(xué)可以在倒空間(k空間)中用圖像描述(圖1(b)).類似晶體衍射,成像的過程可以反映在Ewald球與各類型衍射的關(guān)系上.其中Ewald球面規(guī)定傳播系統(tǒng)的帶寬,只有球面內(nèi)的光可以傳播.對于薄樣品,樣品與光的相互作用滿足Raman-Nath衍射條件,如圖1(b)[23];而樣品中的高頻信息和光作用后將超出Ewald球,不能傳播到遠場,如圖1(c)所示.

從圖1(b)和圖1(c)可直觀看出要獲得超分辨有如下幾個途徑：1)利用增大環(huán)境折射率的辦法提高帶寬(即,擴大Ewald球),固浸物鏡技術(shù)(solid immersion lens,SIL)是此類方案的代表;2)結(jié)構(gòu)光照明顯微鏡(structured illumination microscopy, SIM),利用結(jié)構(gòu)光照明改變F(k),通過和樣品光響應(yīng)(透射、反射、散射等)分布的混頻將一部分不能傳播的光變?yōu)榭蓚鞑サ墓鈭?圖1(d));3)近場光學(xué)技術(shù)(near- field optics,NFO)利用納米探針局域的提取攜帶高空間分辨能力的近場光學(xué)信息.上述三種方法是在傅里葉變換理論的框架內(nèi),而最近人們從衍射理論的適用范圍出發(fā)提出了基于超振蕩效應(yīng)(super oscillation)的超分辨成像方案,指出H(k)是一個描述全局的函數(shù),對于局域的場變化速度可以大于系統(tǒng)的帶寬(即所謂的超振蕩效應(yīng)),從而有可能打破衍射極限.

下面將按照上述順序,對基于SIL,SIM,NFO和超振蕩成像技術(shù)進行分別論述.

圖1 光學(xué)顯微成像原理的Ewald球表示 (a)線性光學(xué)成像系統(tǒng)示意圖;(b)傳統(tǒng)成像系統(tǒng);(c)高折射率對分辨本領(lǐng)的提高作用;(d)照明和樣品的空間頻率的混頻效應(yīng)Fig.1.Ewald sphere and di ff raction conditions for di ff erent optical microscopy techniques：(a)Schematic drawing of an optical imaging system;(b)Raman-Nath di ff raction for conventional optical microscope; (c)high refractive index supports high spatial frequency propagating waves;(d)spatial frequency mixing between the sample and illumination.

3 固浸物鏡

從瑞利極限公式可知,波長不變提高空間分辨力最直接的辦法是提高物鏡端的折射率.今天,此方法已經(jīng)大量應(yīng)用于商用顯微物鏡中,利用浸油的方式,當(dāng)前物鏡的數(shù)值孔徑可達到1.5左右.而SIL是在油鏡的基礎(chǔ)上發(fā)展而來,其用折射率更大的固體介質(zhì)來代替油,在固體中光波長變短,波矢變大,從而能夠攜帶更高的空間頻率.

固浸物鏡的概念來自Born和Wolf的理論[3].這條理論指出了高折射率小球中的兩個“等光程點”可以將光線聚焦而不產(chǎn)生球差.基于這兩個點相應(yīng)也產(chǎn)生了兩種SIL,即hemispherical SIL(h-SIL)和super SIL(s-SIL).h-SIL利用了第一個“等光程點”——球心(圖2(a)).各路光線垂直入射到半球中,不產(chǎn)生球差.同時由于聚焦距離與折射率n無關(guān),也不會產(chǎn)生色差.h-SIL在帶來n倍折射率的提升的同時,還帶來了n倍的放大倍率.s-SIL則利用了第二個“等光程點”——球心旁R處,不產(chǎn)生球差(n0為小球折射率,n1為周圍空氣折射率, R為小球半徑).s-SIL提供了n2的分辨率提升(受整個系統(tǒng)限制,提升最大為n),以及n2倍的放大倍率,如圖2(b)所示[24].

圖2 固浸物鏡的兩種形式 (a)半球形SIL;(b)超級SILFig.2.The two cases of solid immersion lens：(a)Hemispherical SIL;(b)super SIL.

兩種SIL都能實現(xiàn)高分辨的表面成像和亞表面成像,但在與樣品的接觸面要實現(xiàn)折射率匹配(添加折射率匹配油或者壓緊).在亞表面成像中,一般的顯微鏡都要受到樣品折射率的影響,整個顯微系統(tǒng)分辨率下降為1/n,而s-SIL整個顯微系統(tǒng)的分辨率則不會受到影響.其工作距離遵循公式H=R(1+1/n)-D,D為樣品內(nèi)待觀測的面位于樣品表面之下的距離[24],H為h-SIL的高度.但由于s-SIL的焦距與n有關(guān),使用s-SIL時會產(chǎn)生色差.

h-SIL首先由Mans field和Kino[25]在1990年實現(xiàn),他們用一塊折射率為2的固浸物鏡在436 nm的光照明下實現(xiàn)了100 nm的分辨率.隨后,s-SIL也被Kino等[26]在1994年實現(xiàn),他們將780 nm的照明光匯聚成了一個317 nm的光斑,并分辨了500 nm周期的光柵.在這之后,固浸物鏡顯微術(shù)不斷發(fā)展,很多工作都取得了2—3倍的分辨率提升[27-30],如圖3(a)所示.由于其非破壞性的亞表面成像特性,最終在半導(dǎo)體芯片領(lǐng)域形成產(chǎn)業(yè). Serrels等[24]利用s-SIL結(jié)合非線性成像技術(shù)的增強因子),成功用自由空間1530 nm的波長,獲得了約100 nm的分辨率.

近年來,不少學(xué)者將固浸物鏡縮小到波長尺度,進一步獲得了分辨率的突破[31-34].Lee等[32]在2009年制成nanoscale lenses of calix hydroquinone(CHQ),成功地用663 nm的光分辨了250/220 nm的條紋圖案(圖3(b)).隨后Mason等[33]指出,納米尺度SIL(n-SIL)相對于傳統(tǒng)SIL在分辨率上將會有25%的提升.

2011年,Wang等[34]利用直徑幾微米的SiO2小球,實現(xiàn)了50 nm(λ/8—λ/14)的分辨率(圖3(c)),引起了眾多關(guān)注.值得注意的是此類基于微球成像的工作中,分辨率采用的是最小可分辨的物體邊緣間的距離,而不是傳統(tǒng)成像理論中物體中心點之間的距離,這在具體參數(shù)比較中需要明確.另外,至今該類成像系統(tǒng)的點擴散函數(shù)仍未見報道,這也給其詳細的性能評估帶來了困難.

圖3 固浸物鏡應(yīng)用 (a)GaP SIL對染料分子球的超分辨成像[28];(b)納米光柵的微米SIL成像[32];(c)光柵的微球成像[34]Fig.3. Super-resolution imaging by di ff erent SIL：(a)Fluorescence image of dye nanoball by GaP SIL[28];(b)optical image of nanograting via a polymer microlens[32];(c)super-resolution image of nanograting via a microsphere lens[34].

4 結(jié)構(gòu)光照明顯微術(shù)

結(jié)構(gòu)光顯微術(shù)即SIM首先在1963年由Lukosz和Marchand[35]提出,在實空間中,摩爾條紋可以用來簡略地說明其原理(圖4(a))[17].兩個精細度超過衍射極限圖案,將他們重疊之后,得到一個精細度低于衍射極限的新圖案,這個新圖案可以很容易地觀察到.重要的是,這個新圖案是由原先兩個精細圖案按一定規(guī)律矢量線性疊加而來,如果知道其中一個圖案,另一個圖案也能知曉.在倒空間中,結(jié)構(gòu)光照明顯微術(shù)可以得到更好的說明(圖4(b)—圖4(d)).能夠傳播的光場的波矢形成了一個圓(圖4(b)),圓的半徑為kcutoff,空間頻率低于kcutoff的可以傳播,即圓內(nèi)的各點都是能夠傳播的.為了傳播圓外的具有高頻空間信息的點,我們可以將圓外的點“移到”圓內(nèi).這個過程通過攜帶相應(yīng)空間頻率的照明光與樣品相互作用實現(xiàn).例如,對于一個正弦照明光(圖4(c)),其攜帶三種空間頻率(0,±killumination).當(dāng)它與樣品(ksample)相互作用時,會產(chǎn)生(ksample,ksample±killumination)的光,只要這三種空間頻率的光有一種低于kcutoff,那么ksample所包含的信息就可以被探測到.

實驗中,如何分離交疊的(ksample,ksample± killumination)信息是SIM中的關(guān)鍵,為此研究者們發(fā)展了諸多不同的方法.最常用的是相移法,通過對照明光killumination進行相移操作并多次曝光,再按照兩種光疊加的規(guī)律(相位差)反推,就可將ksample分離出來,并最終重現(xiàn)樣品圖案[17].從結(jié)果上來看這種方法相當(dāng)于將圓心移動到了圓周上再次畫圓(圖4(d)),最大形成半徑為2kcutoff的圓(圖4(e)),即最多將分辨率提升兩倍.由于利用的是光強信息,SIM的照明從理論上對光的相干性并不要求,但由于非相干光光源強度較弱,實驗中多使用激光光源.

橫向[17,36-38]和軸向[39]的SIM很快被開發(fā)實現(xiàn),其中Gustafsson等做了重要貢獻.2000年,他們用605 nm的照明光,獲得了115 nm的分辨率[17].2008年,Gustafsson等[40]又制成了三維的結(jié)構(gòu)光顯微鏡,在605 nm的照明光波長下,獲得了104 nm的橫向分辨率和280 nm的軸向分辨率.幾乎同時,Schermelleh等[41]也利用三維結(jié)構(gòu)光照明顯微技術(shù)實現(xiàn)了對核周緣的彩色成像,獲得了與之相當(dāng)?shù)姆直媛?

圖4 結(jié)構(gòu)光照明顯微術(shù)[17](a)摩爾條紋;(b)傳統(tǒng)顯微鏡的Ewald球表示;(c),(d)單一與多方向正弦結(jié)構(gòu)光照明;(e), (f)HeLa細胞邊緣蛋白骨架在傳統(tǒng)顯微鏡與結(jié)構(gòu)光照明顯微鏡下的成像Fig.4.Structured illumination microscopy[17]：(a)Moire fringes;(b)Ewald sphere of conventional microscope; (c),(d)Ewald sphere of sinusoidally striped illumination along one direction and multiple directions;(e),(f)optical image of actin cytoskeleton of HeLa cell with conventional and SIM microscope.

近年來,不少學(xué)者將SIM與其他高分辨成像技術(shù),尤其是一些非線性成像技術(shù)相結(jié)合,實現(xiàn)了遠低于100 nm的超分辨[41-44].Gustafsson等[42]制成了飽和結(jié)構(gòu)光照明顯微鏡,將結(jié)構(gòu)照明光所提供的波矢多次疊加(nkillumination)獲得了50 nm的分辨率.隨后,Gustafsson等[43]又將SIM與TIRF結(jié)合,引入空間光調(diào)制器,實現(xiàn)了對活細胞的100 nm分辨率每百點11 Hz的動態(tài)成像.

今天SIM技術(shù)已經(jīng)非常成熟并商用化,由于其具備實現(xiàn)相對簡單、速度快、可三維成像并對樣品要求少的優(yōu)點,已被廣泛應(yīng)用于超高分辨生物成像領(lǐng)域[45].但由于原理的限制,SIM的分辨能力相比傳統(tǒng)成像系統(tǒng)最多只能提高一倍.

5 掃描近場光學(xué)顯微術(shù)

與SIL和SIM技術(shù)只對傳播光場操作不同,掃描近場光學(xué)顯微術(shù)基于對束縛在樣品表面含有高空間頻率(即樣品細節(jié)信息)的隱失波的操作,利用納米尺度探針將樣品近場信息轉(zhuǎn)化為可檢測遠場信號.從某種程度上,近場光學(xué)顯微術(shù)可以看作是納米光學(xué)領(lǐng)域的主要源頭之一.今天,經(jīng)過三十多年的發(fā)展,已發(fā)明了大量不同種類的SNOM,并廣泛地應(yīng)用于光學(xué)、化學(xué)、材料和生物等領(lǐng)域中.

在SNOM中,納米光學(xué)探針占據(jù)了核心地位;探針-光場,或者探針-樣品的光學(xué)作用決定了其關(guān)鍵性能參數(shù),包括空間分辨能力、襯度機理、信號強度等.為此,我們可以通過探針的不同將SNOM分為有孔SNOM、無孔SNOM和發(fā)光探針SNOM[46],如圖5所示.由于篇幅的關(guān)系,基于光力,近場熱輻射等特殊近場顯微技術(shù)在這里不再做回顧[47,48].

圖5 主要的近場光學(xué)顯微鏡類型[46](a)有孔探針SNOM;(b)散射型SNOM;(c)探針增強型SNOM; (d)納米發(fā)光探針SNOMFig.5.Four major types of SNOMs[46]：(a)Aperture-SNOM;(b)scattering-SNOM;(c)tip-enhanced spectroscopy technique;(d)nano-emitter tip technique.

5.1 有孔探針SNOM

光學(xué)頻段的有孔探針SNOM最早由Pohl和Lewis[9,10]獨立實現(xiàn).其核心是利用一個納米尺寸的通光孔來實現(xiàn)光在納米尺度的局域化和采集,由于光場局域程度由通光孔的尺寸決定,當(dāng)通光孔小于半波長時,系統(tǒng)的分辨率將優(yōu)于衍射極限.

同等重要的是,分辨率的提高(特別是樣品激發(fā)區(qū)域的縮小)也伴隨著背景雜散光強度下降,這對實現(xiàn)單分子熒光檢測至關(guān)重要.利用有孔SNOM的這一優(yōu)勢,1993年貝爾實驗室的Betzig與Chichester[49]合作獲得了diIC12的單分子熒光圖像,達到了高于λ/50空間分辨率,事實上也是人類第一次在室溫下獲得單分子的實空間光學(xué)像,為單分子熒光成像以及以后PALM技術(shù)的發(fā)明打下了基礎(chǔ).之后,其一直致力于近場光學(xué)顯微鏡的研究并不斷提高系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和分辨率[6,7]. 1994年,Betzig團隊[50]又利用S-SNOM實現(xiàn)在室溫下對PMMA膜上的熒光染料分子diI進行探測,同樣達到了分子級別的空間分辨率.在這一過程中,著名華人科學(xué)家謝曉亮[51]也在單分子熒光成像領(lǐng)域做出了重要的貢獻.在90年代后期,研究者在該領(lǐng)域亦有所突破,特別是2000年之后,文獻[52—54]利用微納加工技術(shù)對光纖探針進行了優(yōu)化,通過控制激發(fā)與收集過程中的光偏振,獲得了熒光分子與量子點包括偏振、取向等的大量定量信息.

有孔探針另一類重要的應(yīng)用是對光場分布的成像,特別是微納光學(xué)器件模式分布的超分辨定量表征[55].這類應(yīng)用中最常用的技術(shù)之一當(dāng)屬光子隧道顯微鏡(PSTM),其利用錐形光纖探針將束縛于波導(dǎo)或共振腔表面的隱失場散射并耦合至遠場,從而獲得超高空間分辨的光場信號[56].在此基礎(chǔ)上,文獻[57]將時間分辨的技術(shù)與有孔SNOM技術(shù)結(jié)合起來,成功的觀測到飛秒光脈沖沿波導(dǎo)傳播的圖像.于此同時,利用各類特殊形狀探針對電磁場各向異性的散射效應(yīng),超分辨的矢量光場成像已經(jīng)成為可能[58].

由于在熒光成像領(lǐng)域的成就及前景,在20世紀(jì)90年代,有孔探針SNOM領(lǐng)域吸引了大量的研究者加入[54,59].但很快在技術(shù)層面上,即分辨率和光信號強度這兩核心參數(shù)的優(yōu)化上遇到了不可克服的難題[60].研究者嘗試了各種探針設(shè)計,特別是錐形光纖探針和金字塔形探針,但當(dāng)孔徑小于100 nm時,信號的透過率將急劇下降,到50 nm時只有不到10-5的光強能夠透過微孔.從原理上,納米孔的超低透過率可以從散射的角度解釋.根據(jù)巴貝涅原理[3],微孔的散射可以看作磁偶極子的輻射問題,其強度正比于(a/λ)4,所以納米孔尺寸遠小于波長時,其透射效率非常的低[5].

5.2 無孔探針SNOM

無孔探針技術(shù)始于20世紀(jì)90年代[61],稍晚于有孔探針技術(shù).隨著人們意識到有孔SNOM的限制,以及以針尖增強拉曼光譜技術(shù)和散射型SNOM技術(shù)的突破,在2000年后,無孔探針技術(shù)開始成為SNOM領(lǐng)域的主要方向.特別是隨著納米天線理論的發(fā)展,新型探針設(shè)計以及新的光-物質(zhì)作用機理的大量的應(yīng)用為該領(lǐng)域在光譜學(xué)、分析和成像領(lǐng)域帶來了眾多的應(yīng)用.在這一節(jié)里,我們將重點回顧無孔探針SNOM的兩個重要分支：針尖增強光譜技術(shù)和散射型SNOM技術(shù).

針尖增強光譜技術(shù)是無孔探針SNOM中的重要一類,20世紀(jì)90年代最早被應(yīng)用于熒光成像. 1999年,Sánchez等[62]利用15 nm直徑的金屬針尖的強局域場激發(fā)分子雙光子熒光效應(yīng),由于雙光子吸收得到了很好的成像襯度,對熒光染料成像達到了20 nm的空間分辨率;2004年,文獻[63]利用Au納米棒作為納米天線識別出了單個量子點. 2006年,Novotny課題組[64]研究了在Au納米顆粒的作用下單分子熒光增強的效果,并發(fā)現(xiàn)了當(dāng)納米顆粒與單分子距離很近時,由于金屬材料的吸收,熒光分子會發(fā)生猝滅.之后,Novotny課題組及Sandoghdar課題組都利用Au納米顆粒作為納米天線,研究了Au納米顆粒對樣品的熒光增強,單分子的熒光增強達到了10—20倍,相應(yīng)的激發(fā)態(tài)壽命也縮短了20倍以上,并且得到了10 nm的空間分辨率[65,66].2007年,Tam等[67]在SiO2納米顆粒表面鍍上Au層,將納米顆粒修飾到針尖上作為納米天線,將與其鄰近的熒光分子信號增強超過了50倍.而2014年,Wientjes等[68]利用Au納米棒對捕光復(fù)合物L(fēng)HCII激發(fā),得到了大約100倍的熒光增強,使相應(yīng)的激發(fā)態(tài)壽命縮短到20 ps.

但真正讓針尖增強光譜技術(shù)引起廣泛關(guān)注的是針尖增強拉曼光譜技術(shù)(tip-enhanced Raman spectroscopy,TERS),由于拉曼光譜可用于無標(biāo)記的化學(xué)分析,TERS在各類納米材料的分析中具有廣闊的應(yīng)用前景.但與熒光不同,拉曼散射效應(yīng)極微弱,其微分界面約為10-31cm2/SR量級,遠小于熒光分子的吸收界面10-16cm2[69].正因為如此,雖然人們在20世紀(jì)90年代利用有孔針尖做了大量嘗試,但沒有獲得實質(zhì)性的成果.直到2000年,文獻[70—72]分別獨立的報道了針尖增強拉曼效應(yīng),利用金屬納米探針尖端對光場的近場增強效應(yīng),實現(xiàn)了有機分子大于103倍的增強(圖6(a)).之后Hartschuh等[73]成功地將該技術(shù)應(yīng)用于納米碳管的表征,以30 nm的空間分辨本領(lǐng)觀測到了碳管的結(jié)構(gòu)變化(圖6(b)).但早期TERS只能應(yīng)用在具有強烈共振拉曼效應(yīng)的樣品,如染料分子和碳管結(jié)構(gòu),這種情況一直持續(xù)到Pettinger課題組[74]和Zenobi課題組[75]對TERS的探針技術(shù)進行了系統(tǒng)性優(yōu)化,發(fā)展出狹縫模式的TERS和低折射率探針金屬化辦法.利用優(yōu)化后的系統(tǒng),本文作者及其他課題組在2007年前后最終將TERS的靈敏度推進到單個分子[76-78].在這期間,亦有課題組報道了單分子TERS實驗,但其拉曼峰和其樣品并不能對應(yīng),不能排除來自與樣品污染(特別是無定形碳)的可能[79].

圖6 針尖增強拉曼技術(shù) (a)最早的針尖增強拉曼光譜實驗結(jié)果,銀探針可將染料分子的拉曼信號增強40000倍[71];(b)單壁納米碳管的針尖增強拉曼掃描圖像,空間分辨本領(lǐng)優(yōu)于30 nm[73]Fig.6.Tip-enhanced Raman spectroscopy：(a)40000-fold enhancement of the Raman scattering of dye molecules[71];(b)near- field Raman mapping of singlewalled carbon nanotubes[73].

散射SNOM(scattering-SNOM,s-SNOM)是另一類重要的無孔探針SNOM技術(shù),它和TERS構(gòu)成了今天最重要的兩類納米光譜分析手段.與TERS不同,s-SNOM的成像不依賴針尖的局域增強效應(yīng),而是借助于探針-樣品高度局域化的近場光學(xué)響應(yīng)[83].該技術(shù)早期的基礎(chǔ)主要由德國科學(xué)家Keilmann奠定,他從20世紀(jì)90年代開始年圍繞s-SNOM中的近場相互作用信號提取問題做了大量的基礎(chǔ)研究與技術(shù)創(chuàng)新,發(fā)展出了一系列基于信號調(diào)制和解調(diào)的辦法,并通過探針-樣品耦合模型成功的解釋了散射信號和樣品光學(xué)常數(shù)間的關(guān)系,為s-SNOM奠定了核心基礎(chǔ)(圖7(a))[84].

至今,結(jié)合紅外傅里葉光譜技術(shù),s-SNOM已經(jīng)發(fā)展為一項成熟的納米尺度紅外光譜分析技術(shù),可以實現(xiàn)對幾乎所有材料的超靈敏超高空間的化學(xué)分析[85].2012年,Hillenbrand課題組[86]利用中紅外波段的入射光源,對PMMA薄膜上的聚二甲基硅氧烷(PDMS)的紅外吸收光譜進行探測,達到了20 nm的空間分辨率.隨后,他們又對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的傅里葉變換紅外光譜的吸收譜進行測量成像,達到25 nm的空間分辨率,識別出了單個蛋白質(zhì)復(fù)合物[87].2013年,他們又將傳統(tǒng)的Si探針尖端用金屬Au尖錐代替作為納米天線,研究了針尖增強紅外光譜成像,對單個煙草花葉病毒(TMV)進行紅外吸收譜的探測和成像[88].納米傅里葉紅外光譜儀可以實現(xiàn)對半導(dǎo)體、生物礦物、蛋白質(zhì)納米結(jié)構(gòu)、單個病毒等表面不同組分的結(jié)構(gòu)進行成像[89].

除對有機物的分析外,散射SNOM也被廣泛地應(yīng)用于無機樣品中,特別是新型材料的檢測中.例如,2012年,Hillenbrand課題組和Keilmann課題組先后利用散射SNOM和紅外激發(fā)光對錐形石墨烯納米結(jié)構(gòu)進行研究,將石墨烯納米結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為可調(diào)諧振等離子腔(圖7(b))[90,91].又如Basov課題組和Taubner課題組都對由不同的二維材料組成的原子級別薄晶層——范德瓦耳斯晶體的代表六角氮化硼(hBN)進行了探測,改變晶體層數(shù),同時檢測紅外光譜并成像[92,93].同時,值得注意的是,由于涉及到樣品的非定域光學(xué)性質(zhì)(如石墨烯等離激元模式的探測),此類研究中傳統(tǒng)基于樣品定域光學(xué)響應(yīng)的成像機理模型已經(jīng)不再適用,故需要新的理論模型.

圖7 散射型SNOM (a)最早的超分辨散射SNOM的光學(xué)成像圖[84];(b)利用散射SNOM采集的石墨烯等離激元干涉圖樣[91]Fig.7.Scattering SNOM：(a)The super-resolution optical image of Au nanostructures by scattering SNOM[84]; (b)the interference pattern of surface plasmons of a graphene nano-ribbon collected by scattering-SNOM[91].

5.3 納米發(fā)光探針SNOM

上述有孔與無孔探針SNOM都屬于被動探針SNOM,而納米發(fā)光探針SNOM則是與之對應(yīng)的主動發(fā)光探針技術(shù).該類技術(shù)以納米發(fā)光體(如單量子點、單分子、上轉(zhuǎn)換熒光納米顆?；蛏?為探針,測量探針?biāo)谖恢镁钟虻奈锢韰?shù).由于納米發(fā)光體的發(fā)光特性可對局域的光、電、熱、磁等物理量有響應(yīng),理論上該類探針可以實現(xiàn)多物理場測量[94].同時由于納米發(fā)光體的尺寸非常小,量子點一般小于10 nm,而色心的尺度則在1 nm,故該技術(shù)的空間分辨率可以達到10 nm以下,甚至1 nm.

利用納米發(fā)光探針,研究者在過去近20年中取得了一系列的突破.最早Sandoghdar課題組[95]利用單分子修飾的探針實現(xiàn)了納米結(jié)構(gòu)的高分辨成像.之后,Banin課題組[96]將不同的半導(dǎo)體量子點修飾到探針尖端,演示了在掃描過程中探針尖端的半導(dǎo)體量子點和樣品上的染料分子之間的FRET過程.Temirov課題組[97]利用半導(dǎo)體量子點修飾的探針,在低溫下掃描Ag(111)表面的PTCDA和NTCDA粉末,真正在納米尺度下實現(xiàn)了對靜電勢分布的三維成像.

2.1.2 水土流失嚴重 全縣屬半干旱黃土高原梁峁溝壑區(qū)，地形支離破碎，溝壑密度大，達2.7 km/km2。由于降水相對集中，土壤質(zhì)地疏松，植被稀少，山地面積大，造成水土流失嚴重，表土層逐漸減薄，肥力下降，含水量減少，抗旱能力減弱。且因花椒根系分布淺，水土流失不利花椒對肥料的吸收，容易發(fā)生旱情。

雖然具有廣闊的應(yīng)用前景,但由于此類探針的制備難度高,且檢測技術(shù)復(fù)雜,尚處于發(fā)展階段.可以預(yù)見,隨著納米加工技術(shù)的進步與光學(xué)檢測技術(shù)的發(fā)展,納米發(fā)光探針SNOM將會取得快速發(fā)展.特別是隨著基于納米金剛石氮缺陷色心熒光的量子計量技術(shù)的發(fā)展[98],該技術(shù)將成為一個重要方向.

6 寬場近場成像技術(shù)

掃描近場光學(xué)顯微術(shù)依賴于納米探針將隱失場轉(zhuǎn)化為可傳播的信號,為此需要逐點掃描,因而成像速度較慢.隨著納米光學(xué)的發(fā)展,特別是等離激元光子學(xué)和超材料領(lǐng)域的發(fā)展,人們意識到,利用負折射率或負介電常數(shù)材料制成的平板也可以支持隱失場,并進一步將其轉(zhuǎn)化為傳播場,從而發(fā)展出了各種基于超材料和表面等離激元的寬場超分辨光學(xué)成像技術(shù).

基于負折射率材料的成像最早由Veselago在20世紀(jì)60年代提出.2000年,Pendry[99]從理論上重新考察了基于負折射率材料的成像機理,并證明了雙負材料能夠用來傳遞包括隱失波在內(nèi)的所有的空間頻率.雖然人們很早地便在微波波段實現(xiàn)了完美透鏡,但是由于磁導(dǎo)率的限制,在可見光波段,這一完美透鏡一直無法實現(xiàn).但近場條件下,對于TM波,只要滿足負的介電常數(shù)即可,無需考慮磁導(dǎo)率.2004年,Luo和Ishihara[100]用表面等離激元光刻技術(shù)記錄下周期100 nm(λ/4.4)的干涉條紋.此后,在超材料成像領(lǐng)域,伯克利大學(xué)張翔團隊做出了一系列的杰出貢獻.2005年,張翔等用一塊銀板(35 nm)對表面等離激元(SPP)增強和傳遞,最終在光刻膠上形成了60 nm(λ/6)分辨率的像(圖8(a))[14].值得注意的是,在這個過程中,僅僅是隱失波的振幅發(fā)生了改變,空間頻率并未發(fā)生改變.2007年,利用雙曲透鏡的概念,進一步發(fā)展出了半圓形的可放大超透鏡,分辨率為130 nm (λ/3)(圖8(b))[101],并進一步將該透鏡與光刻系統(tǒng)結(jié)合,實現(xiàn)了高速低成本光刻技術(shù)[102,103].2015年,Gao等[104]結(jié)合Hyperlens和反射銀面實現(xiàn)了22 nm(λ/16)分辨率的超分辨近場成像.除了半圓形之外,還有學(xué)者用金屬線陣列[105-107]以及獨特色散關(guān)系的材料做雙曲透鏡[108-111].

除負折射材料外,利用散射或其他方式也可以實現(xiàn)SPP到傳播模式的轉(zhuǎn)化,從而實現(xiàn)寬場成像[112-115].2005年,Smolyaninov等[112]將甘油滴在金層之上并制成拋物線形的邊界.通過金層下的棱鏡激發(fā)SPP,制成了一個二維放大鏡.他們用502 nm的氬離子激光照射納米孔洞陣列樣品,獲得了60 nm(λ/8)的分辨率(圖8(c)).由于SPP的波矢很大,或者說液滴的有效折射率很高,液滴邊界對于由外向內(nèi)傳播的SPP相當(dāng)于一個會聚透鏡,而對于由內(nèi)向外傳播的SPP而言,則是一個幾乎全角度的全內(nèi)反射鏡.液滴內(nèi),SPP按照幾何光學(xué)的規(guī)律,形成放大的像,并最終通過散射轉(zhuǎn)變?yōu)閭鞑ツＪ?由液滴上方的普通顯微鏡觀察到.

還有不少學(xué)者則將等離激元與結(jié)構(gòu)光SIM相結(jié)合,發(fā)明了等離激元結(jié)構(gòu)照明顯微術(shù)(PSIM)[114,115].傳統(tǒng)的SIM中,結(jié)構(gòu)光的橫向空間頻率至多與衍射極限所對應(yīng)的空間頻率相當(dāng),因而至多獲得普通顯微鏡兩倍的橫向分辨率.SPP的橫向空間頻率可以輕易地達到很大,用作結(jié)構(gòu)光,可以獲得更高的空間分辨率.Wei和Liu[114]用442 nm的激光激發(fā)508 nm的熒光,用0.85數(shù)值孔徑(NA)的物鏡收集,獲得了76 nm(4倍于普通熒光顯微鏡)的空間分辨率.當(dāng)然,PSIM的橫向空間頻率不是沒有限制的,橫向空間頻率越大,SPP在垂直方向的衰減就越快,需要選擇一個平衡點或設(shè)計復(fù)雜結(jié)構(gòu)來增強SPP.

SPP代替散射光來進行暗場顯微成像也是一個很好的結(jié)合[113].受照明系統(tǒng)數(shù)值孔徑的限制,傳統(tǒng)的暗場顯微鏡無法獲得一個較大的NA(物鏡的NA要小于照明系統(tǒng)的NA).Liu課題組[113]用等離激元照明系統(tǒng)取代傳統(tǒng)照明,使得物鏡可以獲得較大的NA.由于SPP只被樣品結(jié)構(gòu)散射才能轉(zhuǎn)化為傳播模式傳播出去,那些沒有結(jié)構(gòu)的區(qū)域, SPP最終會衰減掉,并不會被物鏡收集,這樣就獲得了很高的對比度.

相比于SNOM技術(shù),基于超材料和表面等離激元的寬場超分辨光學(xué)成像技術(shù)無需掃描以及相應(yīng)設(shè)備,故速度快、成本低,并對特定樣品展示出了出色的成像性能.但此類技術(shù)需要將樣品放置于超材料或等離激元結(jié)構(gòu)的臨近區(qū)域,使得樣品在選擇上受到很大限制;同時其只能對樣品表面信息成像,這進一步限制了該類技術(shù)的應(yīng)用.

圖8 基于超材料和等離激元的寬場近場成像技術(shù) (a)—(c)使用銀質(zhì)超透鏡實現(xiàn)的超分辨成像[14];(d)具有放大功能的超透鏡[101];(e)等離激元照明超分辨技術(shù)[112]Fig.8.Wide- field near- field optical imaging using metamaterials and surface plasmon：(a)–(c)Super-resolution image by Ag superlens[14];(d)magni fi ed super-resolution optical image with hyperlens[101];(e)SPP based superresolution image technique[112].

7 超振蕩透鏡

上述成像技術(shù)都建立于傅里葉分析理論框架內(nèi),其假定光場隨空間的變化率的上限由成像系統(tǒng)的帶寬所決定,不能快于2/λ,故此兩個理想的點光源距離小于λ/2時,經(jīng)過成像系統(tǒng)后將不能被區(qū)分.但在雷達天線設(shè)計和高能物理領(lǐng)域中人們發(fā)現(xiàn),在系統(tǒng)帶寬受限的情況下,場的局域振蕩速度仍可以遠快于其帶寬所允許的速度,這就是所謂的超振蕩現(xiàn)象.因此從原理上講,在特定情況下如果能夠讓光場的局域變化速率大于2/λ,兩個距離小于λ/2的點將可被區(qū)分[116,117].

關(guān)于超振蕩,Berry和Popescu[116]給出了一個簡單的數(shù)學(xué)例子：

一般情況下,如果N是奇數(shù),f(x)以π為周期振蕩.但當(dāng)a=1時,f(x)=exp(iNx),代表一列波向正方向傳播.當(dāng)a＞1時,在x=0附近,

振蕩的速率加快了a倍,但從傅里葉展開的角度來講這是一件有趣的事情.因為

所有的波數(shù)都不大于1.也就是說在特定的位置上,函數(shù)的變化速率可以高與帶寬決定的速度.

利用上述原理,多個課題組做了大量實驗和理論工作,通過設(shè)計傳播函數(shù)H(k),實現(xiàn)光在遠場范圍內(nèi)的小于衍射極限的聚焦.并且利用該方法對人工納米結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了突破衍射極限的成像,如圖9[20,118,119].

圖9 超振蕩透鏡成像 (a)超振蕩透鏡納米聚焦的數(shù)值模擬結(jié)果圖[126];(b)超振蕩透鏡的電子顯微鏡圖;(c)利用(b)所示超振蕩透鏡獲得的納米聚焦斑[20]Fig.9.Super-oscillatory lens：(a)Simulated nanofocusing e ff ect by a super-oscillatory lens[126];(b)the SEM image of a fabricated super-oscillatory lens;(c)the measured nanofocus of a super-oscillatory lens[20].

這些工作的核心是超振蕩透鏡的設(shè)計技術(shù).在過去的幾年間,為獲得最優(yōu)化的超振蕩透鏡,人們提出了不同的方法,包括ONSOL[120]、二維環(huán)狀mask[20]、準(zhǔn)晶mask[118]、光學(xué)本征模式的mask設(shè)計方法[121,122]以及等離激元超表面mask[123].而我國南京大學(xué)張勇與肖敏課題組在此領(lǐng)域也做出了獨創(chuàng)的貢獻,將超振蕩的概念與非線性介電超晶格結(jié)合在一起,實現(xiàn)非線性的超聚焦[124,125].

需要強調(diào)的是超振蕩透鏡對空間分辨能力的提高是建立在犧牲信號強度和成像范圍的基礎(chǔ)之上的.在利用超振蕩透鏡形成打破衍射極限的狹長光錐的同時,必然伴隨著強度高數(shù)個量級的旁瓣(如圖9(a)所示),這給該方法在實際中的應(yīng)用帶來了巨大的困難[119].事實上,也正因為此因素,超振蕩現(xiàn)象雖然在傳統(tǒng)天線領(lǐng)域已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)了近一個世紀(jì),但在實際應(yīng)用中仍沒有得到廣泛的應(yīng)用.同時,通過優(yōu)化光錐與高強度之間距離往往在波長尺度,這極大地限制了該方法的成像尺寸.

8 總結(jié)與展望

超分辨光學(xué)顯微術(shù)在過去三十年間取得了一系列的突破,利用不同的原理,研究者開發(fā)了多種基于對成像系統(tǒng)點擴散函數(shù)進行修改的硬件超分辨技術(shù).特別是微納光學(xué)以及控制技術(shù)的進步,讓以掃描近場光學(xué)顯微鏡為代表的近場超分辨技術(shù)獲得了極大的發(fā)展,不僅將光學(xué)成像的分辨能力推進到了納米尺度,同時通過利用局域信號增強、散射、光力等不同探針-樣品的耦合作用提供了一系列的探索樣品物理化學(xué)性質(zhì)的手段,在材料和表面科學(xué)領(lǐng)域獲得了眾多令人矚目的結(jié)果.同時,以結(jié)構(gòu)光照明技術(shù)為代表的遠場超分辨光學(xué)顯微術(shù)被提出并已成功的商用化,為生物學(xué)的觀測提供了一個有效的平臺.

而與此同時,在過去十多年中利用光-物質(zhì)相互作用特性的超分辨光學(xué)顯微技術(shù)亦取得了一系列重大的突破.該類技術(shù)的核心機理是通過已知的樣品信息,如離散點光源的點擴散函數(shù),恢復(fù)被系統(tǒng)過濾的信息,從而打破衍射定律所定的分辨極限.今天,如何將硬件超分辨方法和基于樣品預(yù)知信息的后處理超分辨方法結(jié)合已經(jīng)成為一個重要的發(fā)展方向.特別是如何結(jié)合最新關(guān)于矢量光學(xué)與結(jié)構(gòu)光領(lǐng)域的發(fā)展,將光學(xué)的偏振與角動量等信息結(jié)合成像系統(tǒng)的硬件與圖形處理算法,實現(xiàn)高速準(zhǔn)確的超分辨顯微術(shù)將是一個重要的方向[127,128].

另一個值得注意的方向是量子光學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展,在光子數(shù)空間上引入了新的維度,這為突破傳統(tǒng)基于空間頻率空間的衍射極限提供了新的可能性[129].基于這一想法,最近研究者在理論和實驗上形成了一系列的突破,成功地演示了兩個臨近點狀熱光源的超分辨成像[130].

通過考察超分辨光學(xué)顯微術(shù)在過去三十年間的發(fā)展,以及該領(lǐng)域與單分子熒光檢測、結(jié)構(gòu)光場、量子計量學(xué)等方向的交叉,我們相信如何將硬件對光學(xué)傳遞函數(shù)的設(shè)計與新興技術(shù)所帶來的新的信息有效結(jié)合將會在未來為超分辨技術(shù)帶來巨大發(fā)展.這不僅將帶來成像領(lǐng)域的突破,同時也將對生命、材料、信息等學(xué)科具有巨大的推動作用.

感謝南京大學(xué)物理學(xué)院祝世寧院士的指導(dǎo)與張利劍教授的討論.

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PACS:42.25.Fx,07.60.Pb,07.79.Fc DOI:10.7498/aps.66.144209

Brief retrospect of super-resolution optical microscopy techniques?

Hu Rui-Xuan Pan Bing-Yang Yang Yu-Long Zhang Wei-Hua?
(Collaborative Innovation Center of Advanced Microstructures,National Laboratory of Solid State Microstructures,College of Engineering and Applied Sciences,Nanjing University,Nanjing 210093,China)

29 March 2017;revised manuscript

21 June 2017)

In the last few decades,nanoscience and nanotechnology have been growing with breath taking speed,and how to break through the di ff raction limit and tame the light on a nanoscale have become the major challenges in optics.In this field,several super-resolution optical nanoscopy techniques have been developed,leading to a series of breakthroughs in physics,chemistry,and life sciences.In the work,we give a retrospect of the newly developed techniques in di ff raction theory of linear optical systems,including the solid immersion lens,structured light illumination microscopy,scanning near- field optical microscopy,metamaterial-based wide field near- field imaging technique and super-oscillatory lens.Brief discussion on their principles,advantages and applications is also provided.

di ff raction limit,spatial frequency,super-resolution

:42.25.Fx,07.60.Pb,07.79.Fc

10.7498/aps.66.144209

?國家重點研發(fā)計劃(批準(zhǔn)號：2016YFA0201104)、國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(批準(zhǔn)號：2015CB659400)和國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號：11374152,11574142,11621091)資助的課題.

?通信作者.E-mail：zwh@nju.edu.cn

?2017中國物理學(xué)會Chinese Physical Society

http://wulixb.iphy.ac.cn

*Project supported by the National Key Technologies R&D Program of China(Grant No.2016YFA0201104),the National Basic Research Program of China(Grant No.2015CB659400),and the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos.11374152,11574142,11621091).

?Corresponding author.E-mail：zwh@nju.edu.cn