We present a technique called white-light diffraction tomography (WDT) for imaging microscopic transparent objects such as live unlabelled cells. The approach extends diffraction tomography to white-light illumination and imaging rather than scattering plane measurements. Our experiments were performed using a conventional phase contrast microscope upgraded with a module to measure quantitative phase images. The axial dimension of the object was reconstructed by scanning the focus through the object and acquiring a stack of phase-resolved images. We reconstructed the three-dimensional structures of live, unlabelled, red blood cells and compared the results with confocal and scanning electron microscopy images. The 350 nm transverse and 900 nm axial resolution achieved reveals subcellular structures at high resolution in Escherichia coli cells. The results establish WDT as a means for measuring three-dimensional subcellular structures in a non-invasive and label-free manner. The three-dimensional structures of transparent objects, such as living cells, are captured by an imaging technique that uses white-light illumination and diffraction tomography to collect a stack of phase-based images.

The main obstacle in retrieving quantitative phase with high sensitivity is posed by the phase noise due to mechanical vibrations and air fluctuations that typically affect any interferometric system. In this paper, we review diffraction phase microscopy (DPM), which is a common-path quantitative phase imaging (QPI) method that significantly alleviates the noise problem. DPM utilizes a compact Mach–Zehnder interferometer to combine several attributes of current QPI methods. This compact configuration inherently cancels out most mechanisms responsible for noise and is single-shot, meaning that the acquisition speed is limited only by the speed of the camera employed. This technique is also nondestructive and does not require staining or coating of the specimen. This unique collection of features enables the DPM system to accurately monitor the dynamics of various nanoscale phenomena in a wide variety of environments. The DPM system can operate in both transmission and reflection modes in order to accommodate both transparent and opaque samples, respectively. Thus, current applications of DPM include measuring the dynamics of biological samples, semiconductor wet etching and photochemical etching processes, surface wetting and evaporation of water droplets, self-assembly of nanotubes, expansion and deformation of materials, and semiconductor wafer defect detection. Finally, DPM with white light averages out much of the speckle background and also offers potential for spectroscopic measurements.

Tomographic phase microscopy (TPM) is an emerging optical microscopic technique for bioimaging. TPM uses digital holographic measurements of complex scattered fields to reconstruct three-dimensional refractive index (RI) maps of cells with diffraction-limited resolution by solving inverse scattering problems. In this paper, we review the developments of TPM from the fundamental physics to its applications in bioimaging. We first provide a comprehensive description of the tomographic reconstruction physical models used in TPM. The RI map reconstruction algorithms and various regularization methods are discussed. Selected TPM applications for cellular imaging, particularly in hematology, are reviewed. Finally, we examine the limitations of current TPM systems, propose future solutions, and envision promising directions in biomedical research.

Abstract Laser spectroscopy offers a significant tool for revealing specific molecular details with the desired accuracy and sensitivity. However, it poses challenges to maintain high sensitivity when targeting a micro‐region. Here, a dual‐enhanced photothermal approach is presented using a high‐finesse fiber Fabry–Pérot (F–P) cavity, tailored for highly sensitive chemical sensing with nanoliter‐scale light–matter interaction. A spheric surface (diameter: 50 µm, radius of curvature: 910 µm) is created on the fiber tip using focused ion beam milling. By adding a high‐reflectivity dielectric coating to the spheric surface, a fiber F–P cavity is obtained with a length of 473 µm and a finesse exceeding 4000. The intra‐cavity pump light within the gas‐filled fiber cavity generates a strong photothermal effect upon gas absorption. This effect induces phase modulation, which is amplified and detected by coupling a probe laser to the fiber cavity‐based interferometer. A minimum detection limit of 10 parts‐per‐billion (ppb) of C 2 H 2 at 1530.37 nm is demonstrated using only 1 mW of pump power, corresponding to a normalized noise equivalent absorption coefficient of 9.1×10 −11 cm −1 ∙W∙Hz −1/2 . This platform breaks the bottleneck of ultrasensitive gas detection with a very short light–matter interaction length, promising significant advancements in microscale chemical analysis through optical investigations.

Abstract In single-molecule localization microscopy (SMLM), achieving precise localization hinges on obtaining an authentic point spread function (PSF) influenced by system and sample-induced aberrations. Here, we introduce VISPR (Vectorial in-situ PSF retrieval) retrieving precise 3D PSF models considering both system and sample-induced aberrations under SMLM conditions. By employing the theory of vectorial PSF model and maximum likelihood estimation (MLE) phase retrieval, VISPR is capable of reconstructing an accurate 3D PSF model achieving the theoretically minimum uncertainty and accurately reflecting three-dimensional information of single molecules. This capability empowers accurate 3D super-resolution reconstruction in 3D SMLM. Additionally, VISPR applies to low signal-to-noise ratio circumstances and is adept at retrieving high-frequency details of the experimental PSF across an extensive depth range—a challenging feat for alternative approaches. As an effective tool, VISPR enables the quantitative assessment of aberrations induced by the system and sample environment. From the simulations and experiments, we verified the superiority and effectiveness of VISPR. It is essential to highlight that VISPR applies to various SMLM microscope modalities.