Photonics Research | 一种基于光子集成电路的新型微型化定量相位成像技术#科技#方法#成像#技术#光学#测量

定量相位成像（Quantitative Phase Imaging，QPI）是一种光学显微技术，能够在无需染料或标记的情况下，通过测量光波在穿过样品后产生的相位变化来量化其形态和折射率分布。它以非侵入性和高灵敏度的特点，在生物医学、材料科学等领域具有广泛应用。相比传统的强度成像技术，QPI能够提供更多的结构信息，特别适用于透明或弱散射样品（如活细胞、组织切片、二维材料等）的研究。尽管QPI技术已有多种实现方法，但传统方法仍然面临一些限制： 1.仪器庞大：大多数方法依赖自由空间光学系统，包括复杂的光学元件（如相位调制器、干涉仪），这限制了其便携性和稳定性； 2. 相位噪声高：利用相干光源的QPI系统容易受到光斑干涉引起的散斑噪声影响，导致测量精度下降； 3.成本高昂：复杂光学元件的需求使得系统整体成本较高，难以大规模应用。受限于上述因素，如何同时实现定量相位成像技术的小型化、紧凑化和高精度化，仍然是当前研究面临的重要难题。

为解决上述挑战， 比利时根特大学-比利时校际联合微电子中心（Ghent University-imec）的林初跑博士和Nicolas Le Thomas教授提出了一种光子集成电路（PIC）改进的新型QPI技术，利用光子集成芯片对光束进行整形和相位调控，克服了传统方法的多项限制。相关研究成果以“Demonstration of a photonic integrated circuit for quantitative phase imaging”为题发表于 2025年第1期。

该团队提出的方法基于克喇末-克勒尼希关系（Kramers-Kronig，KK），首次结合光子集成电路（PIC）实现定量相位成像，其原理如图1所示，其中图1(b)展示了k空间中基于KK的QPI技术，图中紫色圆盘表示显微物镜的孔径，kmax为透射横向波矢分量的最大模量，左图表示标准正入射照明模式（入射横向k矢量kinc=0），右图表示倾斜照明模式（入射横向k矢量kinc=kmax，即与KK关系兼容）。图1(c)展示了合并四个照明方向di=1–4的频带后，恢复场图像的对数尺度傅里叶域。图1(d)为通过对图1(c)进行傅里叶逆变换得到的振幅和相位图像。图1(e)为图1(a)中使用的光子集成电路示意图，包括氧化铝波导（绿色）的横截面，衍射光栅提供倾斜照明，这些照明通过由1×2或2×2多模干涉仪（MMI）和热相移器（黄色）组成的集成1×4开关进行开启（电流Ion）和关闭（电流Ioff），其右下角插图为光子芯片的实物图，该芯片固定在PCB板上，并通过金线实现电信号连接。

图1 基于光子集成电路的定量相位成像技术的工作原理。(a) 装置工作示意图；(b) k空间中基于KK的QPI技术图示；(c) 合并四个照明方向di=1–4的频带后，恢复场图像的对数尺度傅里叶域；(d)振幅和相位图像；(e) 光子集成电路示意图

集成光子电路实现了对光束无机械运动的开关，并能够以精准的角度提供倾斜的照明光束。通过KK方法，该技术可以从光强图像中恢复相位信息，并凭借集成光子芯片的稳定性和紧凑性，以及对复杂光束的强大调控能力，实现卓越的成像性能。其主要特点包括： 1. 相位噪声的显著降低：基于KK关系结合光子集成电路，实现了5.5 mrad的空间相位噪声，比传统基于体积光学的KK关系低7倍，进一步改善了芯片设计有望实现更高精度相位测量，且相比现有的迷你QPI模块（如基于超表面的技术），其噪声性能提高了15倍； 2. 卓越的空间分辨率：达到了400 nm的衍射极限分辨率，相比其他迷你QPI模块的典型分辨率（~1 µm）提高了约2—3倍； 3. 紧凑高效的设计：光子集成电路尺寸仅为50 mm × 50 mm，可轻松集成到传统光学显微镜中，而无需改变现有的光学成像系统。

以上特点使得研究人员可以获得细菌细胞的高分辨率相位图，从而区分活细胞与死细胞，验证其在病原体检测中的潜力。此外，该工作还可 实现二维材料表征，通过测量单层石墨烯的厚度（0.45 ± 0.15 nm），结果与原子力显微技术（Atomic Force Microscopy，AFM）高度一致，同时成像速度提高20倍，显示了对纳米尺度结构的高灵敏度。

该成果因具有低噪声和高分辨率特性，未来可广泛用于血液细胞分析和癌症早期筛查等医学诊断方向；而其对二维材料（如石墨烯、过渡金属硫化物）的无接触式测量，可应用于材料科学领域，为纳米电子学和光电子学提供支持。

综上所述，该团队提出的方法显著提升了QPI技术的性能，将其推向了更广泛的实际应用场景；利用PIC的特点，不仅改进了显微镜光学系统的便携性和稳定性，还大大降低了成本，为光学成像领域带来了突破性进展。