非线性荧光成像非破坏性的光学远场成像是生命科学、材料科学研究中观察微纳结构的重要工具。更进一步，远场成像与纳米探测技术结合可用于发展纳米尺度电磁、温度、pH等参数的高分辨率多功能传感与成像技术。然而传统的光学远场成像分辨率受限于衍射极限。为提高光学远场成像的分辨率，一种解决方法是利用材料对激发光的非线性荧光响应实现高分辨率的显微成像。荧光的非线性响应导致所产生的成像图中包含了高频的空间信息。通过对高频谐波的锁相探测或对比激发获取可以获取图像中的高频信息，从而实现超越传统共聚焦技术分辨率的成像。除此之外，非线性成像技术还具有更深的成像深度、更好的层析能力。因此，发现并利用纳米材料的非线性荧光过程对提高成像效果至关重要。

来自中国科学技术大学郭光灿院士团队孙方稳教授课题组利用电荷态转换过程实现对金刚石中氮-空位发光缺陷的非线性荧光成像。相关成果发表于Photonics Research 2021年第1期。(Bo Du, Xiang-Dong Chen, Ze-Hao Wang, Shao-Chun Zhang, En-Hui Wang, Guang-Can Guo, Fang-Wen Sun, “High resolution imaging with anomalous saturated excitation”, Photonics Research 9, 21—26(2021).)

金刚石中的氮-空位发光缺陷是一种被广泛研究的微纳传感器。它具有稳定的荧光和长自旋相干时间，在磁场、温度传感，以及生物标记等方面有潜在应用价值。对氮-空位色心的超衍射极限分辨荧光成像将有助于实现高分辨率的传感与生物成像。

课题组研究了金刚石中氮-空位色心在不同波长激光泵浦下的多光子电荷态转换过程，发现该过程中的电子自旋会发生退极化现象，进而导致荧光强度的降低。相反的，在氮-空位色心的自发辐射中，发生电子自旋极化。多光子泵浦的电荷态转换与自发辐射相互竞争，导致实验上观察到氮-空位色心缺陷荧光强度随着激发光功率增加出现明显的非单调变化：其荧光强度在低功率下随着激发光增强；而在高功率下随着激发光增强而降低。这种反常荧光饱和效应增强了荧光辐射的非线性。课题组使用声光调制器快速改变泵浦光强度，并基于共聚焦成像系统对同一成像区域在不同泵浦光功率下得到的图像进行对比，获取高频的空间信息，最终将共聚焦成像的分辨率提升约1.6倍。该方法不需要对传统的共聚焦成像装置做任何改动，也不需要复杂的数据处理。

该成果所发展的成像技术使用简单，具有很好的可扩展性与实用性，有望在高分辨率传感与生物成像等领域等到应用。并且由于电荷态转换在固态发光缺陷发光中具有普遍性，该方法可扩展到其它发光缺陷。该论文的第一作者为杜博博士，通讯作者为陈向东副研究员。该工作得到了科技部、基金委、中国科学院和安徽省的资助。

图1、氮-空位色心反常饱和效应导致其在高功率光泵浦下的图像呈现出中间的暗点

图2、反常饱和成像对氮-空位色心成像分辨率的提升

论文链接：https://www.osapublishing.org/prj/fulltext.cfm?uri=prj-9-1-21&id=444973