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本文旨在解读一种基于饱和吸收材料实现非线性超分辨成像的方法，该学术论文信息如下：
标题：Saturable absorption assisted nonlinear structured illumination microscopy
地址：https://doi.org/10.1364/OL.460502
作者通过探索材料的饱和吸收特性，提出了一种新颖的超分辨率技术，即可饱和吸收辅助非线性结构照明显微镜(saturable absorption assisted nonlinear structured illumination microscopy ，SAN-SIM)。在图1(a-b)所示照明光路中，荧光样品紧贴非线性材料层，余弦照明条纹通过非线性材料层时产生非线性照明条纹，非线性照明条纹具有多阶谐波分量。谐波分量的数量与强度取决于非线性材料的饱和吸收特性。在图1(c)中，直接对比了线性与非线性吸收材料的转换关系，对于非线性材料而言，照明光强越强，非线性效应越明显。图1(d-e)以Bi2Se3材料为例，展示了非线性效应产生的照明条纹相比于标准的余弦照明条纹，在光强变化上更加陡峭，同时也具有多阶谐波分量；而余弦照明条纹仅产生一阶谐波分量。值得注意的是，并不是谐波分量越多越好，谐波分量的强度和噪声水平都会影响超分辨图像的重建效果；较低的谐波强度并不会带来明显的分辨率提升。
图1. (a) 照明光路原理图，(b) 照明图案转换方法的放大图，(c) 饱和吸收材料转换效率，(d) 非线性和正弦照明条纹的频谱具有不同的谐波强度，(e)非线性和正弦照明条纹的线轮廓对比。
在非线性效应的产生机理上，本文和传统的非线性结构照明显微镜(nonlinear structured illumination microscopy，N-SIM)显著不同。在传统N-SIM中，采用标准余弦照明条纹激发非线性荧光分子，高阶频谱信息通过向下调制数个阶次，在成像系统的通带内被物镜采集到。在本文提出的方法中，标准余弦照明条纹在通过饱和吸收材料层后，产生的非线性照明本身就具有多阶频谱信息，可有效地对高阶频谱信息实现光谱折叠，实现与传统N-SIM相同的效果。
在典型的莫尔条纹M的频域表达式中，主要具有如下参数：θ为照明条纹方向，φ为照明条纹相位，H(k)为成像系统光学传递函数，S(k±nkθ)为多阶频谱分量，其中n=0~3。传统线性SIM的莫尔条纹仅包含0~1阶频谱，共三个未知量，所以通常采用三步相移法构建三元一次线性方程组求解各频谱分量，通过频谱拼接的方式实现超分辨频谱重建。作者为了验证非线性重建效果，选择采用七步相移法，求解0~3阶共七个频谱分量，实现非线性超分辨重建。
作者首先通过仿真星型分辨率靶标来验证非线性超分辨效果。在仿真中，选择Simens star 0.5[1+cos(120θ)], 照明波长532nm，激发波长560nm，数值孔径0.65，像素尺寸40nm ×40nm，得到图2(a)的仿真样品图像。图2(b)为宽场图像，宽场分辨率为440nm(白色实线圆)。图2(c)为传统线性SIM超分辨图像，其分辨率为280nm(黄色实线圆)。图2(d)为SAN-SIM超分辨图像，其分辨率为120nm(蓝色实线圆)。所以传统线性SIM采用三步相移，重建0~1阶频谱，超分辨率提升倍数为1.57倍；非线性SAN-SIM采用七步相移，重建0~3阶频谱，超分辨率提升3.67倍。若SAN-SIM产生的0~3阶频谱分量强度相同，那么SAN-SIM的超分辨率提升理论极限是4倍；这里为3.67倍主要是因为随着频谱阶数增高，频谱强度逐渐降低，导致超分辨率提升低于理论极限。
图2. (a) 仿真样品图像，(b) 样品宽场图像(分辨率400nm)，(c)传统线性SIM超分辨图像(分辨率280nm)，(d) SAN-SIM超分辨图像(分辨率120nm)。
作者其次通过仿真随机点状样品验证非线性超分辨效果，如图3所示。超分辨效果与图2一致，这里不再赘述。
图3. (a) 随机分布的点状样品，(b) 样品宽场图像，(c)传统线性SIM超分辨图像，(d) SAN-SIM超分辨图像，(e-h) 图(a-d)白色实线框区域放大图(比例尺0.5μm)，(i) 图(e-h)中箭头处的强度轮廓对比。
SAN-SIM与传统N-SIM相比，显著优势是可以灵活地使用普通荧光染料标记样品，因为非线性照明是由激发光通过饱和吸收材料引起的。
