近日，华南先进光电子研究院詹求强教授团队在国际顶尖光学期刊《Light: Science & Applications》发表题为《Sidelobe-free deterministic 3D nanoscopy with λ/33 axial resolution》的研究论文。该团队该利用超高阶非线性荧光与双焦干涉场调制，在简易的单物镜、单光束显微系统中实现了轴向分辨率仅 λ/33（26 nm），横向分辨率仅 48 nm的远场三维聚焦与成像，首次在物空间中彻底解决了4Pi 显微术中高强度旁瓣的原理性难题，标志着确定性三维超分辨显微术的重要突破。

三维极窄空间内的光与物质相互作用研究，对突破衍射极限的成像、传感、光刻等前沿技术发展具有重要意义。受制于显微物镜有限的孔径角，传统远场三维聚焦方法的轴向分辨率通常较横向差2-3倍。4Pi显微术通过相干地叠加两个对置物镜的球面波，可将轴向分辨率提升3-7倍。然而，4Pi及其衍生超分辨技术（如isoSTED）依赖于双物镜架构和多光束的精密耦合，系统复杂且稳定性较差。值得指出的是，干涉特性引发的高强度旁瓣将扩大光与物质的作用范围（图1），引起成像伪影。在成像应用中，反卷积算法可一定程度上抑制4Pi成像中的旁瓣伪影，但也无法消除伪影，并且依赖算法。对于其他应用，真实物理空间中的旁瓣影响更是无法抑制。因此，如何实现无旁瓣的三维空间紧聚焦是当前光学超分辨领域亟待解决的重要难题。

4Pi显微术能够大幅压缩物镜聚焦光斑的轴向尺寸，然而其干涉特性会导致发光中心的上下两侧产生高强度的干涉旁瓣。理论计算表明，多光子激发效应可以有效抑制4Pi干涉旁瓣，当非线性（N）达到10阶时，高强度旁瓣将被完全消除。为此，研究团队利用超高阶非线性激发（UNEx）的光子雪崩荧光（N>30），无需借助反卷积算法，首次在真实的物理空间中实现了无旁瓣的4Pi聚焦。同时，高阶非线性效应还能在三维空间大幅压缩光斑作用尺度，轻松实现三维超分辨突破。此外，针对传统双物镜4Pi架构系统复杂、稳定性差的问题，研究团队巧妙地利用反射镜替代其中一个物镜，并通过矢量光场调制沿光轴生成两个分离的焦点，经镜面反射后实现单物镜的4Pi干涉照明。单荧光颗粒成像结果表明，UNEx-4Pi方法能在单束180 μW连续光激发的单物镜显微系统中实现横向48 nm以及轴向26 nm（λ/33）的极限远场聚焦，有效发光体积较共聚焦缩小超过1500倍（图1）。

同时，光子雪崩荧光所独有的高阶非线性、低功率近红外激发和抗光漂白特性，非常适合长时程、低光毒性的超分辨生物观测。研究团队演示了UNEx-4Pi技术的细胞成像应用，成功分辨出轴向间隔为32 nm的亚细胞结构（图2）。此外，UNEx-4Pi超分辨技术不仅仅局限于成像领域，凭借其独特的真实物理空间紧聚焦特性还可应用于单光束驱动的超分辨光学传感、激光光刻和光存储等前沿信息技术领域。

华南先进光电子研究院博士生潘彬雄、特聘副研究员王保举为论文共同第一作者，詹求强教授为项目负责人和论文通讯作者，我校是论文的独立完成单位和通讯单位。研究工作得到国家重点研发计划项目、国家自然基金委重点项目、国家优青、广东省自然基金项目、广东省大学生攀登计划重点项目、华南师大研究生科研创新计划等项目资助。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41377-025-01833-x