Wide-field mid- to long-wave infrared imaging with undetected photons

Resumen Técnico: Imágenes de campo amplio en el infrarrojo medio y largo con fotones no detectados

Planteamiento del problema
La obtención de imágenes en el infrarrojo medio y largo (6–10 µm) es crítica para el análisis sin marcadores en biología, ciencia de materiales y detección química debido a las bandas de absorción de "huella dactilar" únicas de los grupos funcionales moleculares. Sin embargo, su implementación práctica enfrenta obstáculos técnicos significativos. A temperatura ambiente, la radiación de fondo térmico alcanza su máximo cerca de los 10 µm, creando un régimen de detección de fotones infrarrojos limitado por el fondo (BLIP) donde las relaciones señal-ruido están restringidas por el ruido de disparo ambiental. Además, el alto flujo térmico puede saturar los detectores, lo que requiere filtrado de banda estrecha y enfriamiento criogénico. Las cámaras de infrarrojos existentes sufren de un número limitado de píxeles y bajas tasas de fotogramas en comparación con sus contrapartes de luz visible. Aunque la Imagen Cuántica con Fotones no Detectados (QIUP, por sus siglas en inglés) ofrece una vía para superar estos límites al sondear objetos con luz infrarroja mientras se detectan únicamente fotones visibles, las demostraciones previas de QIUP de campo amplio se han restringido a longitudes de onda inferiores a 4.3 µm. La extensión a la región de la "huella dactilar" de 6–10 µm se ha visto dificultada por la falta de componentes ópticos accesibles que abarquen los rangos espectrales de la bomba, la señal y el idler, así como por el desafío de mantener capacidades de imagen multimodo a longitudes de onda más largas.

Metodología
Los autores presentan un esquema de obtención de imágenes de campo amplio basado en interferometría no lineal (NLI) utilizando un cristal de tiogalato de plata (AgGaS₂). El sistema emplea una geometría de concordancia de fases no colineal dentro de un interferómetro de trayectoria común plegado.

• Generación: Un láser de Ti:Zafiro de onda continua (700–740 nm) bombea el cristal de AgGaS₂, generando pares de fotones de señal (visible) e idler (infrarrojo medio) mediante la conversión paramétrica descendente espontánea (SPDC).
• Interacción: El haz idler (6–10 µm) se dirige a través del objeto (una máscara de sombra), pero nunca se detecta directamente. El haz de señal pasa sin afectación a través de un orificio central en la máscara, mientras que el haz idler sondea el anillo exterior del objeto.
• Detección: El patrón de interferencia de la señal es registrado por una cámara CMOS basada en silicio. Debido a que los fotones de infrarrojos son "no detectados", la medición es inmune a la radiación de fondo térmico.
• Escaneo de fase: La fase interferométrica se modula desplazando el cristal con respecto al punto focal del espejo parabólico, en lugar de mover un espejo, lo que permite el escaneo de fase en una configuración de trayectoria común.
• Procesamiento de datos: Los autores demuestran dos métodos de reconstrucción: (1) adquisición de múltiples fotogramas donde la fase se escanea en 180 pasos (10 s por fotograma) para extraer la visibilidad y la fase, y (2) un enfoque de holografía fuera de eje de un solo fotograma para acelerar la adquisición.

Contribuciones clave

1. Extensión a longitudes de onda largas: El trabajo demuestra QIUP de campo amplio en el rango de 6–10 µm (1670–1000 cm⁻¹), una región espectral no reportada previamente para la obtención de imágenes QIUP multimodo.
2. Concordancia de fases no colineal: El uso de AgGaS₂ con concordancia de fases no colineal permite la separación de los haces de señal e idler basándose en sus distintos diámetros de haz (una relación de ~10:1), permitiendo que el anillo exterior del haz idler se utilice para la obtención de imágenes mientras la señal pasa a través de una apertura central.
3. Obtención de imágenes de campo amplio de alta resolución: El sistema logra una resolución de 297 ± 5 µm a una longitud de onda de imagen de 8 µm con un campo de visión de aproximadamente 700 mm², produciendo más de 8,000 elementos resolubles.
4. Inmunidad al ruido: El sistema opera eficazmente a temperatura ambiente sin necesidad de enfriamiento criogénico, aprovechando la naturaleza "no detectada" de los fotones infrarrojos para evitar el ruido de fondo térmico.

Resultados

• Resolución y campo de visión: Las pruebas de borde de cuchillo confirmaron una resolución uniforme de 297 ± 5 µm en todo el campo de visión, independiente de la posición radial. El número total de elementos resolubles se calculó en 8,000 ± 100.
• Desemño de imagen: Se generaron con éxito imágenes reconstruidas de máscaras de sombra metálicas a 6, 8 y 10 µm. Las imágenes resolvieron claramente las estructuras de la máscara, con una alta visibilidad de interferencia en las regiones abiertas y una baja visibilidad donde la máscara bloqueaba el haz idler.
• Velocidad de adquisición: Mientras que las imágenes de alta calidad requirieron un tiempo de adquisición de 30 minutos (180 fotogramas × 10 s), el método de holografía fuera de eje de un solo fotograma redujo este tiempo a 10 segundos, aunque con una reducción en la calidad de la imagen debido a artefactos de la dependencia de fase no lineal.
• Sensibilidad: El sistema detectó niveles de luz infrarroja aproximadamente dos órdenes de magnitud por debajo del límite BLIP. La potencia de idler estimada por píxel fue de ~7 × 10⁻¹⁸ W, significativamente menor que la potencia equivalente de ruido de ~2 × 10⁻¹⁵ W/Hz¹/² de un detector comparable limitado por BLIP.

Significancia
El artículo afirma que estos resultados allanan el camino para la obtención de imágenes en el infrarrojo medio y largo de campo amplio, rápida, libre de ruido de fondo, a temperatura ambiente y selectiva en el espectro. Al combinar la detección coherente con el enfoque de fotones "no detectados", la técnica supera las limitaciones de sensibilidad y rango dinámico de los detectores de infrarrojos convencionales. Los autores postulan que este método es particularmente ventajoso para aplicaciones en imagen biomédica sin marcadores, ciencia de materiales y detección química, ofreciendo una alternativa viable a la lenta espectroscopia de transformada de Fourier de infrarrojos (FTIR) limitada por el ruido. El trabajo demuestra que la QIUP de campo amplio es factible en la región crítica de la huella dactilar molecular, siempre que se utilicen cristales no lineales apropiados (como AgGaS₂) y geometrías no colineales para gestionar las restricciones espectrales y espaciales.