Wide-field mid- to long-wave infrared imaging with undetected photons
تُظهر هذه الورقة البحثية التصوير بالأشعة تحت الحمراء متوسطة إلى طويلة الموجة (6-10 ميكرومتر) واسعة المجال باستخدام التصوير الكمي بالفوتونات غير المكتشفة عبر مطابقة الطور غير المتعامدة في بلورة AgGaS₂، محققةً تشغيلاً عند درجة حرارة الغرفة وخالياً من ضوضاء الخلفية، مع دقة وأوقات استحواذ تتفوق بشكل كبير على الكواشف التقليدية.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
إن رؤية العالم بضوء الأشعة تحت الحمراء تكشف عن طبقة خفية من الواقع، حيث تصبح حرارة الخلية الحية أو البصمة الكيميائية للجزيء مرئية. ويعد هذا الجزء من الطيف أداة قوية للعلماء، إذ يوفر وسيلة لتحديد المواد من خلال "بصماتها" الفريدة دون الحاجة إلى وسمها بالأصباغ أو العلامات. ومع ذلك، كان التقاط هذه الصور مهمة صعبة لفترة طويلة؛ فالأشعة تحت الحمراء تهيمن عليها التوهجات الحرارية للبيئة المحيطة نفسها؛ ففي درجة حرارة الغرفة، يشع كل شيء ضوضاء خلفية تطغى على الإشارات الخافتة. وللرؤية بوضوح، غالبًا ما تتطلب الكاميرات التقليدية مستشعرات متخصصة وباهظة الثمن يجب تبريدها إلى درجات حرارة شديدة البرودة (كريوجينية)، وحتى حينها، تظل العملية بطيئة ومحدودة بسبب هذه الحرارة الخلفية الطاغية.
لقد ظهر نهج مختلف، يعتمد على خاصية غريبة للضوء تُعرف بالتداخل الكمي. فبدلاً من محاولة اكتشاف فوتونات الأشعة تحت الحمراء التي ترتد عن الجسم، يستخدم هذا الأسلوب تلك الفوتونات فقط كرسول. وتتضمن التقنية تقسيم شعاع ضوي إلى زوجين مرتبطين: جزء يسافر في الطيف المرئي، وهو ما تراه أعيننا وكاميراتنا القياسية، والآخر يسافر في الأشعة تحت الحمراء. يُولد هذان الشعاعان معاً ويظلان متصلين بطريقة تجعل من المستحك التمييز بينهما. وإذا تفاعل شعاع الأشعة تحت الحمراء مع جسم ما، فإنه يغير سلوك شريكه المرئي، رغم أن الشعاع المرئي لم يلمس الجسم قط. ومن خلال قياس الضوء المرئي، يمكن للعلماء إعادة بناء صورة لما واجهه الضوء غير المرئي من أشعة تحت حمراء، مما يؤدي فعلياً إلى تجاوز الحاجة لاكتشاف فوتونات الأشعة تحت الحمراء مباشرة. وهذا يعني أن الصورة تكون محصنة ضد الضوضاء الحرارية التي تعاني منها كاميرات الأشعة تحت الحمراء عادةً.
وقد قام باحثون في "إمبريال كوليدج لندن" الآن بتوسيع هذا المفهوم بشكل كبير، حيث أثبتوا طريقة لإنشاء صور واسعة المجال في نطاق الأشعة تحت الحمراء متوسطة إلى طويلة الموجة، وتحديداً بين 6 و10 ميكرومتر. ويعد هذا النطاق منطقة حيوية للتحليل العلمي، حيث يغطي الأطوال الموجية التي تمتص فيها العديد من الروابط الكيميائية الهامة الضوء. وفي تجربتهم، استخدم الفريق بلورة مصنوعة من "ثيوجالات الفضة" لتوليد هذه الأزواج المرتبطة من الضوء. وقد رتبوا الإعداد بحيث يمر شعاع الأشعة تحت الحمراء، الذي يسمونه "الشريك الخامل" (idler)، عبر عينة، بينما يتم توجيه الشعاع المرئي "الشريك الإشاري" (signal) نحو كاميرا سيليكون قياسية. ولأن الضوء تحت الأحمر لم يتم اكتشافه أبداً بواسطة الكاميرا، فقد تجنب النظام الضوضاء الخلفية التي تحد عادةً من هذه القياسات. ووجد الباحثون أن هذه الطريقة سمحت لهم بالكشف عن الأشعة تحت الحمراء بمستويات أخفت بمئة مرة على الأقل مما هو ممكن باستخدام أفضل كواشف الأشعة تحت الحمراء القياسية التي تعمل في درجة حرارة الغرفة.
حقق الفريق مستوى عالياً من التفاصيل في صورهم، حيث تمكنوا من تمييز أكثر من 8,000 نقطة متميزة عبر مجال الرؤية. وعند طول موجي قدره 8 ميكرومتر، استطاعوا تمييز ملامح صغيرة يصل حجمها إلى 297 ميكرومتر. ولاختبار النظام، وضعوا أقنعة معدنية ذات أنماط محددة في مسار شعاع الأشعة تحت الحمراء. ونجحت الكاميرا، التي تنظر فقط إلى الضوء المرئي، في إعادة بناء أشكال هذه الأقنعة، كاشفة عن الثقوب والمناطق الصلبة بوضوح. وأظهر الباحثون أنه يمكنهم ضبط النظام للتصوير عند أطوال موجية مختلفة ضمن نطاق 6 إلى 10 ميكرومتر ببساطة عن طريق تعديل زاوية البلورة ولون الليزر المستخدم لضخها. وتوحي هذه المرونة بإمكانية تكييف الطريقة لاستهداف بصمات كيميائية محددة في مواد متنوعة.
كانت السرعة عاملاً رئيسياً في نجاحهم. فقد استعرض الفريق طريقتين لمعالجة البيانات؛ تضمنت الطريقة الأولى التقاط سلسلة من الصور مع تغيير طور الضوء ببطء، وهي عملية استغرقت حوالي عشر ثوانٍ لكل إطار وأسفرت عن صور عالية الجودة. أما الطة الثانية فقد استخدمت لقطة واحدة لإعادة بناء الصورة، مما قلل وقت الاستحواذ إلى عشر ثوانٍ فقط للصورة بأكملة، وإن كان ذلك مع تضحية طفيفة في جودة الصورة. ويعد هذه السرعة تحسناً كبيراً مقارنة بطرق مطيافية الأشعة تحت الحمراء التقليدية، التي قد تستغرق ساعات لإنتاج صورة مماثلة. وتشير النتائج إلى أنه من الممكن إجراء تصوير سريع وواضح وانتقائي طيفياً في الأشعة تحت الحمراء دون الحاجة إلى كواشف مبردة أو معدات معقدة. ويفتح هذا التقدم الباب أمام تطبيقات جديدة في البيولوجيا والكيمياء، حيث يمكن للقدرة على رؤية البنى الجزيئية بسرعة ودون ضوضاء خلفية أن تغير طريقة تحليل العلماء للعينات.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.