基于光电子集成芯片的定量相位成像

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引言
定量相位成像（QPI）是先进的光学显微技术，能够有效地观察和分析透明或弱散射物体，在生物学和材料科学领域具有重要应用价值。本文探讨基于光电子集成芯片的创新方法，通过将高性能与微型化相结合，显著提升了定量相位成像技术水平[1]。

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6 F6 K; A" L& B; x7 i光电子集成芯片定量相位成像基本原理
2 n+ A( s- V4 ]$ R3 H) o5 R) _传统的定量相位成像系统依赖体积庞大的光学元件，在稳定性和对准方面面临重大挑战。新型光电子集成芯片方案引入了一个紧凑型芯片，作为标准明场显微镜的附加组件，改变了定量相位成像的实现方式。
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让我们详细了解这个创新系统的工作原理。
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图1展示了基于光电子集成芯片的定量相位成像技术工作原理，包括芯片照明配置以及显微物镜、光阑和光电子集成线路等各个组件的布局。
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5 g" u9 V3 M  [该系统使用光电子集成线路，通过精心设计的衍射光栅提供斜照明。这些光栅的位置经过精确计算，使其远场发射模式与成像显微物镜光阑的特定位置相匹配。这种配置实现了基于克拉默斯-克朗尼希（Kramers-Kronig）关系的相位恢复，无需对显微镜的收集光学系统进行任何修改。
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( h7 }/ t4 y6 h, m2
; A2 u7 Z4 Y& E9 |" g性能与功能
基于光电子集成芯片的定量相位成像系统实现了超越传统方法的卓越性能指标。

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图2展示了系统的高空间分辨率和低相位噪声能力，证明能够分辨400纳米的结构，并实现低至5.5毫弧度的相位噪声水平。

系统具备以下特点：
衍射极限空间分辨率达400纳米
相位噪声仅为5.5毫弧度
" o( K( P* n6 Z- j. \0 o; Z" [2 p4 }视场范围达210微米×187微米
与标准显微物镜完全兼容

( q$ e/ ~2 o2 a% c8 D$ U$ a& t1 Y这些技术指标代表了相对现有技术的重大进步。特别是相位噪声水平比其他相干光源技术低五倍，可与使用非相干光源的系统相媲美。

5 ~- A0 l3 V: B: J2 ~% T3
9 w3 e3 z5 u( U3 R3 i生物成像应用
, [8 Z/ e: b" z; _5 r该系统的性能特别适合生物成像应用。

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* b$ T8 D$ f) N  r图3展示了大肠杆菌的定量相位成像结果，显示了系统能够以高对比度和分辨率捕捉细胞结构和分裂过程的详细信息。
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系统在细菌细胞等生物样品成像方面表现优异，无需染色或标记即可提供详细的形态信息。系统能清晰区分单个细胞和分裂细胞，识别精细的结构特征，对生物研究和医学诊断具有重要价值。
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+ u- u; l3 S  d; w) ~4
1 Y$ h) G5 F. @8 w. I先进材料表征
+ _% U; {/ b* H# z3 K3 e1 B) }除生物应用外，该系统在材料科学领域，尤其是二维材料表征方面展现出卓越能力。

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0 |& `( X* Z. n, p2 L! o) M7 s图4展示了单层石墨烯的定量相位成像，证明系统能够以纳米级精度测量极薄材料。

系统能够精确测量石墨烯单层厚度，达到0.45±0.15纳米的测量精度，与理论值高度吻合。这种能力为二维材料和薄膜的表征提供了新的研究方向。

+ z! o: g$ O; J7 M5
技术实现
基于光电子集成芯片的定量相位成像系统包含多个关键技术组件：
, W) ?1 Z5 s) @! B0 i- @

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6 I4 s: a, p8 Q/ T# j5 @1 z图5说明了光电子芯片衍射光束角度的高精度控制方法，展示了各种光学组件及其排列。

: c, I  d7 R  H+ K' a5 Y- m系统采用：
6 b9 C5 o0 c* `; L/ b# [* A氧化铝（AlOx）波导进行光传输
精确设计的衍射光栅进行光束操控
集成1×4光开关实现顺序照明
热相移器实现精确控制

9 o8 E% H7 N5 B/ l光电子芯片尺寸紧凑（50毫米×50毫米），具有很高的便携性，同时保持出色的性能。将这些组件集成在单个芯片上，消除了传统系统中的许多对准和稳定性问题。
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) I* M3 ^1 S0 w4 A6
& a& Y# ^$ t' o: c) ?结论
3 w& d+ t5 w* w# b基于光电子集成芯片的定量相位成像系统代表了定量相位成像技术的重大进展。高性能、小型化和多功能的结合使其适用于从生物成像到材料表征的广泛应用。系统在保持高空间分辨率的同时实现低相位噪声的能力，使其成为研究和实际应用的有力工具。

( ]8 F5 e7 ~0 a5 w参考文献
6 o* h( e3 V4 ~  D; I[1] C. Lin, Y. Guo, and N. Le Thomas, "Demonstration of a photonic integrated circuit for quantitative phase imaging," Photon. Res., vol. 13, no. 1, pp. 1-17, Jan. 2025.
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