科研成果 | 张文凯团队提出角度-偏振调控干涉式二次谐波显微成像新方法，实现反演孪晶相位高对比成像

二次谐波显微镜（SHG microscopy）是一种无标记、非接触的光学表征方法，因其对对称性高度敏感，广泛应用于铁电材料、二维半导体、界面物理等领域。它仅在非中心对称结构中产生信号，可反映晶格取向、畴结构、界面以及某些特定缺陷的空间分布，是研究材料“结构-对称性-功能”关系的重要工具。但传统的二次谐波显微镜仅记录信号强度，丢失相位信息。许多“亮度相近、相位不同”的微结构难以区分。典型如反演孪晶：相邻区域SHG强度几乎相同，相位却相差π，传统SHG成像无法分辨。为识别相位相关微结构，需引入相位成像。干涉型SHG（I-SHG）通过样品与参考SHG信号相干叠加，将相位差转为强度对比。但传统I-SHG依赖相位调制器或延迟线主动扫描，易引入时间走离、色散和偏振失配等问题。如何发展一种更稳定、更简洁、同时适合微纳结构表征的相位敏感SHG显微技术，是该领域持续关注的重要问题。

近日，北京师范大学物理与天文学院张文凯教授团队在相位敏感非线性显微成像方向取得进展，提出并实现了一种角度-偏振调控SHG显微成像方法，用于对相位不同的微结构进行高对比成像。其基本出发点是，在干涉型SHG中，真正需要读出的仍然是样品与参考SHG场之间的相对相位，但传统方法往往通过额外的相位调制元件主动扫描相位差，这在显微系统中容易引入时间走离、色散误差和偏振约束。为此，本文保留“相位仍是被测对象”这一物理核心，同时引入一种新的读出方式，通过旋转参考层来调节干涉项中的偏振投影因子，从而将相位敏感的干涉对比稳定映射到强度图像中。

图1 角度-偏振调控干涉式SHG显微原理图。展示单层二维参考层位于物镜后方，并通过旋转参考层调节偏振投影，从而实现相位敏感读出的核心机制。

在实验实现上，研究团队搭建了一套激光扫描反射式SHG显微系统，并将单层MoSe2参考层放置在物镜之后、样品之前。该参考层一方面具有原子级厚度，可显著减小时间走离；另一方面又具有明确的SHG偏振响应和低背景特性，非常适合作为干涉参考。样品则选取了具有不同形貌的单层MoS2反演孪晶。通过调节参考层与样品的相对位置以及参考晶体旋转角，实现了参考SHG与样品SHG的高质量相干叠加。实验结果表明，在传统SHG图像中难以区分的反演孪晶区域，在角度-偏振调控I-SHG下可以出现清晰的对比反转。进一步的角度扫描结果显示，相邻孪晶区域的信号强度和对比度随参考旋转角呈现清晰的周期性变化，并与理论模型符合良好。最终，本研究实现了高达0.96的干涉对比，证明了该方法对相位微结构的高灵敏识别能力。

图2 从常规SHG到角度-偏振调控I-SHG的反演孪晶成像对比。展示传统SHG下相邻孪晶难以区分，而在参考旋转后的I-SHG成像中出现清晰对比反转。

本研究发展了一种面向相位敏感成像的角度-偏振调控SHG显微新方法。研究团队通过在物镜后引入可旋转的单层二维材料参考层，将偏振投影调控与干涉型SHG相位信息读取结合起来，在参考相位近似稳定的条件下实现了高对比相位敏感显微成像，并成功用于单层MoS2反演孪晶的识别。相比传统依赖相位扫描的I-SHG技术，该方案在系统简化、时间走离抑制以及普适性方面展现出明显优势。更重要的是，这项工作提供了一种新的技术理念，相位信息并不一定只能通过主动相位扫描来读取，也可以通过精心设计的偏振调控链路被稳定、高效地转化为图像对比。未来，随着参考层设计、系统集成和成像速度进一步提升，这种方法有望推广到更多具有相位反转、对称性破缺和畴结构演化特征的材料体系，例如铁电材料、磁性体系和复杂界面结构，为非线性显微成像和功能材料表征带来新的发展空间。

相关成果以“Angular-polarization-engineered interferometric second-harmonic generation microscopy”为题发表于PhotoniX。论文第一作者为北京师范大学物理与天文学院博士赵璇和周梁，通讯作者为张文凯教授，刘奕昕同学、张天天博士、窦瑞芬教授参与了该项研究。研究工作得到了国家自然科学基金的资助。

论文信息：

Xuan Zhao, Liang Zhou, Yixin Liu, Tiantian Zhang, Ruifen Dou, and Wenkai Zhang, Angular-polarization-engineered interferometric second-harmonic generation microscopy. PhotoniX 7, 42 (2026). https://doi.org/10.1186/s43074-026-00263-1

论文链接：https://link.springer.com/article/10.1186/s43074-026-00263-1