利用微纳结构的全息成像是近年来的研究热点，特别是非线性全息三维成像方面，但是由于目前的非线性全息材料有金属制成，具有高损耗低阈值等缺点。传统研究主要集中在对基频光的共振增强上面，对高次谐波产生所受到的吸收损耗一般从材料角度处理，这严重限制了非线性光学在短波长乃至深紫外区域的发展。为了解决这个问题，我们在2018年研究了利用微纳结构的dipole和高阶谐振模式来同时获得对基频光和三倍频光的同时共振。对基频光的共振大幅提高了倍频信号的强度，而对三倍频的共振又通过模场的重新分布降低了材料本身损耗的影响。实验证明，三倍频处的谐振可以提高最终信号强度100倍左右，对于非线性纳米器件的发展提供了一条新的思路。基于此发现，本实验室硅的非线性全息结构，通过相位的控制，首次实现了全介质超表面的三阶非线性信号的全息图片，并将非线性全息拓展到蓝紫光乃至紫外区域。该结果发表在2018年的Nano Letters上。

图1 基于介质超表面的非线性全息示意图

   光学显微成像技术以高分辨率、高速率、大视场的三维成像为发展目标。我们基于新型光场调控手段，产生了无衍射、自修复、自弯曲传播特性的艾里光场，并将其应用于新型显微镜的研制，实现了“艾里光束三维重建显微镜ATM”。

图2 ATM显微镜成像原理

图3 ATM成像与传统z扫描成像的比较

   基于艾里光束的无衍射特性，ATM显微镜的横向分辨率接近光学衍射极限，纵向分辨率实现超分辨。基于自修复特性，ATM显微镜适用于强散射介质，相对于传统z扫描三维成像方法，ATM具有更高的信噪比。基于自弯曲传播特性，ATM显微镜可在无机械扫描状态下实现深度10微米以上的三维成像，满足一般的动态活体细胞成像需求。我们利用ATM显微镜对小鼠的肾细胞进行了双色成像，得到了深度10微米的肾管结构，并测量得到了肾小球的尺寸，在使用40 X/0.75 NA 的显微物镜，测量水平和轴向分辨率分别达到500 nm和1.5 µm。相关成果发表在美国光学学会旗舰期刊Optica杂志上。该成果获得哈工大要闻和工信部网站专栏报道。

图4 ATM显微镜对小鼠的肾细胞进行了双色成像

基于高频调制的光弹调制器，我们开发了一套扫描偏振调制显微成像系统（见图5），该系统可以研究单个纳米结构，也可以对二维材料开展局域研究。将光弹调制器设置为二分之一波长模式，可以进行扫描线二色成像，下图为一个薄层黑磷的线二色图像，可以看到不同区域的线二色信号差别很大，这源自于不同区域的厚度不均一。将弹调制器设置为四分之一波长模式，可以进行扫描圆二色成像，我们进一步改变波长，得到了单个螺旋金纳米粒子的圆二色谱。

图5 扫描偏振调制显微成像示意图

在非视域激光成像、光子辅助微波调制方面也取得了诸多进展。实验构建了一套可自动扫描采集数据的非视域三维高精度成像系统，扫描点数和扫描精度都比上一年度有大幅度的提高。同时采用了新型信号处理模块，将系统的时间测量精度从30cm提高到10cm左右，因此能够获得更为精确的还原图像。系统的总体性能指标和国际上本领域其他研究团队的研究水平持平，部分指标已经领先。

图 6（左）实验系统图          （右）实验目标图

图 7 实验结果图

在实验研究的基础上，深入研究非视域目标的重构算法，提出了基于均值移动分类的重构算法。突破了传统算法基于像素处理的缺陷，建立了基于段处理的新方法。该方法在低信噪比的条件下具有很好的鲁棒性。

图8 切片对比

图9 分段对比

图10 不同的信噪比对比

   我们首次采用32*32盖格SPAD实现了无扫描非视域激光三维成像，取得了可与单点SPAD扫描成像质量可比拟的结果。同时深入研究了虚拟波技术，深入研究光子辅助微波调制产生虚拟波调制的方法。