单光子成像技术可用于生物医学和安全应用。近日，研究人员报告了使用量子幽灵成像获得的首个3D测量结果。这种新技术可以在单个光子水平上实现3D成像，为任何测量提供了可能的最低光子剂量。
来自德国弗劳恩霍夫光电子学、系统技术与图像利用研究所和卡尔斯鲁厄理工学院的研究人员 Carsten Pitsch 表示：“使用单光子进行3D成像可以用于如眼科诊断等各种生物医学应用，它可以应用于对光敏感或在受光照射后变得有毒的药物等材料和组织的成像，且不会造成任何损害。”
在Optica Publishing Group的期刊Applied Optics上，研究人员介绍了他们的新方法，其中包括新的单光子雪崩二极管（SPAD）阵列探测器。他们将称其为“异步检测”的新成像方案应用于量子幽灵成像中的3D成像。
图源：Fraunhofer IOSB/indigo
Pitsch 表示：“异步检测在军事或安全应用方面也可能有用，因为它可以在观测时不被察觉，同时减少过度照明、湍流和散射的影响。我们还想研究其在高光谱成像中的应用，这可以在使用非常低的光子剂量的同时同时记录多个光谱区域。这对生物分析非常有用。”
增加三维图形效果
量子成像为何称之为鬼成像？史砚华教授 2008 年发明的「幽灵成像」，应该是证明量子纠缠绝非幻想的最直观的实验。
来源: 宇宙时空
幽灵成像的原理通俗易懂：先把红光子和蓝光子「纠缠」到一起，然后两者分开各走各路。红光穿过狭缝打出一定形状的图案，蓝光不穿缝正常走。实验结果绝对震撼：明明没有穿过狭缝的蓝光，竟然也投射出了与红光相同形状的图像！这种方法不仅可以在极低的光照水平下进行成像，还意味着被成像的物体不必与用于成像的光子进行相互作用。
以前的量子幽灵成像设置无法进行3D成像，因为它们依赖于增强型电荷耦合器件（ICCD）相机。尽管这些相机具有良好的空间分辨率，但它们是时间门控的，不允许对单个光子进行独立的时间检测。
为解决这个问题，研究人员开发了一种基于用于LiDAR和医学成像的新型单光子雪崩二极管（SPAD）阵列的设置。这些探测器具有具有专用定时电路的多个独立像素，可以以皮秒分辨率记录每个像素的检测时间。
新方法使用两个纠缠光子（信号光子和识别光子）以单光子照明获得3D图像。这涉及将识别光子引导到物体上，然后及时检测反向散射的光子。同时，将信号光子定向到专用相机，以在时间和空间上检测尽可能多的光子。然后，研究人员将每个像素的检测时间与单像素探测器的检测时间进行比较，以重构纠缠。这还使他们能够确定相互作用的识别光子的飞行时间，从而确定物体的深度。
可调整性：适应性强
另一个关键创新是对用于创建纠缠光子的KTP晶体进行周期极化。“这样几乎可以为任何泵浦-信号-信号差频三元组实现高效的准相位匹配，并且允许我们自由选择照明和成像的波长。”Pitsch说道。“它还使我们能够将设置适应许多其他应用或波长。”
研究人员使用周期极化的KTP晶体（如图所示）来生成纠缠光子。这使得该设置可以适应许多其他应用或波长。
（Carsten Pitsch, Fraunhofer IOSB）
研究人员使用两个不同的独立设置演示了他们的异步检测方案的3D能力。其中一个类似于迈克尔逊（Michelson ）干涉仪，使用两个空间分离的臂获得图像。这种设置允许研究人员分析SPAD的性能并改进符合检测。另一个设置使用自由空间光学，更加应用中心化。与使用两个分离臂进行成像不同，它对同一臂中的两个物体进行成像。
尽管需要更多的工作，但两种设置作为新技术的概念验证实验表现良好。实验还表明，异步检测可用于远程检测，这对大气测量可能有用。
研究人员正在与SPAD制造商合作，以提高SPAD相机的空间分辨率和工作周期（探测器开启的时间百分比）。他们还计划用最近推出的更快的自由空间耦合探测器替换光纤耦合的识别探测器。最后，他们计划将该设置应用于高光谱成像，这可以在重要的中红外光谱范围内进行成像，而无需在这些波长下工作的探测器。
论文：C. Pitsch, D. Walter, L. Gasparini, H. Bursing, M. Eichhorn, “3D Quantum Ghost Imaging,” Applied Optics, vol. 62, issue 23, pp. 6275-6281 (2023).
DOI: doi.org/10.1364/AO.492208
摘自：optica
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文章转载自微信公众号：北京光博会订阅号