Mid-infrared Fourier ptychographic upconversion imaging

Resumen Técnico: Imagen de Conversión Ascendente de Ptychografía de Fourier en el Infrarrojo Medio

Planteamiento del Problema
La imagen en el infrarrojo medio (MIR) es crítica para aplicaciones que van desde la inspección industrial hasta el diagnóstico biomédico, debido a su capacidad para revelar características térmicas y moleculares. Sin embargo, lograr una imagen MIR de alta resolución y gran campo de visión a temperatura ambiente sigue siendo un desafío. Los arrays de plano focal tradicionales sufren de ruido térmico y corriente oscura, mientras que los sensores emergentes a menudo carecen de sensibilidad a fotones individuales o de grandes conteos de píxeles. La conversión ascendente de frecuencia ofrece una solución al convertir señales MIR a longitudes de onda visibles o de infrarrojo cercano para su detección por sensores maduros. No obstante, la resolución espacial de los imageadores de conversión ascendente existentes está severamente restringida por la apertura transversal limitada de los cristales no lineales utilizados en el plano de Fourier. Los cristales periódicamente polarizados, esenciales para el emparejamiento de fases cuasi-fase (QPM) de alta eficiencia, suelen limitarse a espesores de escala milimétrica para mantener la homogeneidad del dominio, creando un ancho de banda estrecho que actúa como un filtro paso bajo y difumina la imagen. Aunque los cristales de gran apertura son difíciles de fabricar debido a los requisitos de polarización de alto voltaje y la fusión de dominios, los métodos actuales para aumentar la resolución a menudo comprometen el campo de visión (FOV) o requieren configuraciones interferométricas complejas.

Metodología
Los autores proponen un sistema de imagen ptychográfica de Fourier no lineal que combina bombeo elíptico con síntesis computacional de apertura para superar las limitaciones físicas de la apertura del cristal no lineal.

• Bombeo Elíptico: En lugar de un bombeo gaussiano estándar, el sistema emplea un haz de bombeo elíptico diseñado. Esta forma está diseñada para coincidir con la sección transversal estrecha pero ancha del cristal de niobato de litio con polarización chirpeada (CPLN) (1 mm de espesor × 3 mm de ancho). Esta configuración permite al sistema capturar componentes de frecuencia espacial más altos a lo largo del eje mayor de la elipse, utilizando efectivamente el ancho del cristal en lugar de su espesor.
• Ptychografía de Fourier: Para recuperar la resolución en la dirección ortogonal y sintetizar una apertura efectiva más grande, el sistema realiza un muestreo rotacional. El objeto se rota en ángulos discretos, lo que rota correspondientemente la banda de paso elíptica en el espacio de Fourier. Esto genera una secuencia de imágenes de conversión ascendente de baja resolución, cada una capturando información de alta frecuencia diferente.
• Reconstrucción Computacional: Se utiliza un algoritmo iterativo de proyección alterna para recuperar computacionalmente una imagen de alta resolución y gran campo de visión. Este proceso fusiona la secuencia de patrones de intensidad capturados, sintetizando una gran apertura sin requerir mediciones de fase o haces de referencia, evitando así la complejidad de la interferometría.
• Configuración Experimental: El sistema utiliza una configuración 4f con un cristal CPLN en el plano de Fourier. Emplea láseres pulsados sincronizados temporalmente (bombeo de 1030 nm y señal de 3070 nm) para impulsar la generación de suma de frecuencias (SFG). La señal convertida ascendente (771 nm) es detectada por un EMCCD basado en silicio. La configuración incluye un difusor rotatorio para iluminación incoherente y una línea de retardo para optimizar la superposición temporal para una conversión eficiente.

Contribuciones Clave

• Nuevo Paradigma de Imagen: El trabajo extiende la ptychografía de Fourier al régimen de conversión ascendente no lineal, abordando el cuello de botella específico de las aperturas de cristal limitadas en la imagen MIR.
• Estrategia de Bombeo Elíptico: La introducción de un haz de bombeo elíptico adaptado a la relación de aspecto del cristal permite la adquisición de altas frecuencias espaciales que de otro modo serían filtradas por el espesor del cristal.
• Síntesis Computacional de Apertura: Al rotar la banda de paso elíptica y aplicar algoritmos de recuperación de fase, el sistema reconstruye computacionalmente una imagen con una apertura numérica efectiva significativamente ampliada.
• Sensibilidad a Fotón Único: El sistema mantiene capacidades de detección ultra-sensibles, operando efectivamente bajo condiciones de iluminación de baja intensidad de 1 fotón/pulso/píxel, aprovechando la alta eficiencia de conversión del bombeo de coincidencia pulsada y el conteo de fotones con bajo ruido.

Resultados Experimentales

• Resolución y Campo de Visión: El sistema logró una resolución espacial de 39 µm dentro de un campo de visión de aproximadamente 25 mm.
• Producto Espacio-Ancho de Banda (SBP): La combinación de alta resolución y gran FOV resultó en un SBP de 3.2×10⁵. Esto representa una mejora de más de diez veces sobre los valores previamente demostrados para la imagen de conversión ascendente MIR de gran campo.
• Mejora de la Resolución: Las pruebas comparativas utilizando cartas de resolución USAF y objetivos de estrella de Siemens demostraron que el bombeo elíptico mejoró significativamente la resolución a lo largo del eje mayor en comparación con el bombeo gaussiano. La síntesis rotacional recuperó con éxito una alta resolución isotrópica en todo el campo de visión.
• Imagen de Penetración: El sistema imageó con éxito un emblema universitario inscrito en la parte posterior de una oblea de silicio de 700 µm de espesor, demostrando la capacidad de penetrar materiales semiconductores transparentes en el rango MIR.
• Rendimiento en Baja Intensidad de Luz: Se reconstruyeron imágenes de alta resolución con éxito a partir de datos adquiridos con un flujo de fotones de 1 fotón/pulso/píxel, confirmando la sensibilidad a fotón único del sistema.

Significado
El artículo afirma que este paradigma de imagen de conversión ascendente ptychográfica de Fourier no lineal proporciona una vía escalable hacia la imagen infrarroja de alto rendimiento con elementos resolubles masivos y sensibilidad a fotón único. Al eludir los límites físicos de la apertura de los cristales no lineales mediante la síntesis computacional, la técnica permite la imagen MIR de alta resolución y gran campo de visión a temperatura ambiente sin la necesidad de hardware interferométrico complejo. Los autores sugieren que esta capacidad es particularmente valiosa para aplicaciones que requieren análisis no destructivo, como el control de calidad industrial (por ejemplo, inspección de defectos en semiconductores) y el diagnóstico biomédico, donde se requieren simultáneamente alta sensibilidad y gran cobertura del campo. El trabajo establece una base para la futura imagen MIR de alta dimensión que podría integrar capacidades hiperespectrales, de fase y de resolución de profundidad.