Mid-infrared Fourier ptychographic upconversion imaging

Riepilogo Tecnico: Imaging di Conversione in Frequenza Ptychografico di Fourier nel Medio Infrarosso

Enunciato del Problema
L'imaging nel medio infrarosso (MIR) è fondamentale per applicazioni che spaziano dall'ispezione industriale alla diagnosi biomedica, grazie alla sua capacità di rivelare caratteristiche termiche e molecolari. Tuttavia, ottenere imaging MIR ad alta risoluzione e ampio campo a temperatura ambiente rimane una sfida. I tradizionali array del piano focale soffrono di rumore termico e corrente oscura, mentre i sensori emergenti spesso mancano di sensibilità al singolo fotone o di un elevato numero di pixel. La conversione in frequenza offre una soluzione convertendo i segnali MIR in lunghezze d'onda nel visibile/infrarosso vicino per la rilevazione da parte di sensori maturi. Tuttavia, la risoluzione spaziale degli attuali imaging di conversione in frequenza è severamente limitata dall'apertura trasversale ridotta dei cristalli non lineari utilizzati nel piano di Fourier. I cristalli periodicamente invertiti, essenziali per l'accoppiamento di fase quasi-perfetto (QPM) ad alta efficienza, sono tipicamente limitati a spessori nell'ordine dei millimetri per mantenere l'omogeneità dei domini, creando una banda passante stretta che agisce come un filtro passa-basso e sfoca l'immagine. Sebbene i cristalli ad ampia apertura siano difficili da realizzare a causa dei requisiti di polarizzazione ad alta tensione e della fusione dei domini, i metodi attuali per aumentare la risoluzione compromettono spesso il campo visivo (FOV) o richiedono configurazioni interferometriche complesse.

Metodologia
Gli autori propongono un sistema di imaging ptychografico di Fourier non lineare che combina l'pompaggio ellittico con la sintesi computazionale dell'apertura per superare i limiti fisici dell'apertura del cristallo non lineare.

• Pompaggio Ellittico: Invece di un pompaggio Gaussiano standard, il sistema impiega un fascio di pompaggio ellittico ingegnerizzato. Questa forma è progettata per corrispondere alla sezione trasversale stretta ma ampia del cristallo di niobato di litio a inversione chirpata (CPLN) (1 mm di spessore × 3 mm di larghezza). Questa configurazione permette al sistema di catturare componenti di frequenza spaziale più elevate lungo l'asse maggiore dell'ellisse, sfruttando efficacemente la larghezza del cristallo anziché il suo spessore.
• Ptychografia di Fourier: Per recuperare la risoluzione nella direzione ortogonale e sintetizzare un'apertura efficace più ampia, il sistema esegue un campionamento rotazionale. L'oggetto viene ruotato ad angoli discreti, ruotando di conseguenza la banda passante ellittica nello spazio di Fourier. Ciò genera una sequenza di immagini di conversione in frequenza a bassa risoluzione, ciascuna delle quali cattura informazioni ad alta frequenza diverse.
• Ricostruzione Computazionale: Un algoritmo iterativo di proiezione alternata viene utilizzato per recuperare computazionalmente un'immagine ad alta risoluzione e ampio campo. Questo processo fonde la sequenza di pattern di intensità acquisiti, sintetizzando una grande apertura senza richiedere misurazioni di fase o fasci di riferimento, evitando così la complessità dell'interferometria.
• Configurazione Sperimentale: Il sistema utilizza una configurazione 4f con un cristallo CPLN nel piano di Fourier. Impiega laser impulsati sincronizzati temporalmente (pompaggio a 1030 nm e segnale a 3070 nm) per guidare la generazione di somma di frequenze (SFG). Il segnale convertito in frequenza (771 nm) viene rilevato da un EMCCD a base di silicio. La configurazione include un diffusore rotante per l'illuminazione incoerente e una linea di ritardo per ottimizzare la sovrapposizione temporale per una conversione efficiente.

Contributi Chiave

• Nuovo Paradigma di Imaging: Il lavoro estende la ptychografia di Fourier nel regime di conversione in frequenza non lineare, affrontando il collo di bottiglia specifico delle aperture cristalline limitate nell'imaging MIR.
• Strategia di Pompaggio Ellittico: L'introduzione di un fascio di pompaggio ellittico adattato al rapporto d'aspetto del cristallo permette l'acquisizione di alte frequenze spaziali che verrebbero altrimenti filtrate dallo spessore del cristallo.
• Sintesi Computazionale dell'Apertura: Ruotando la banda passante ellittica e applicando algoritmi di recupero di fase, il sistema ricostruisce computazionalmente un'immagine con un'apertura numerica efficace significativamente ampliata.
• Sensibilità al Singolo Fotone: Il sistema mantiene capacità di rilevamento ultra-sensibili, operando efficacemente in condizioni di illuminazione a bassa luce di 1 fotone/pulse/pixel, sfruttando l'alta efficienza di conversione del pompaggio a coincidenza impulsato e il conteggio di fotoni a basso rumore.

Risultati Sperimentali

• Risoluzione e Campo Visivo: Il sistema ha raggiunto una risoluzione spaziale di 39 µm all'interno di un campo visivo di circa 25 mm.
• Prodotto Spazio-Banda (SBP): La combinazione di alta risoluzione e ampio FOV ha risultato in un SBP di 3,2×10⁵. Ciò rappresenta un miglioramento di oltre dieci volte rispetto ai valori precedentemente dimostrati per l'imaging di conversione in frequenza MIR ad ampio campo.
• Miglioramento della Risoluzione: Test comparativi utilizzando carte di risoluzione USAF e target a stella di Siemens hanno dimostrato che il pompaggio ellittico ha migliorato significativamente la risoluzione lungo l'asse maggiore rispetto al pompaggio Gaussiano. La sintesi rotazionale ha recuperato con successo una risoluzione alta isotropa su tutto il campo visivo.
• Imaging di Penetrazione: Il sistema ha imaging con successo un emblema universitario inciso sul retro di un wafer di silicio spesso 700 µm, dimostrando la capacità di penetrare materiali semiconduttori trasparenti nella gamma MIR.
• Prestazioni a Bassa Luce: Immagini ad alta risoluzione sono state ricostruite con successo da dati acquisiti a un flusso di fotoni di 1 fotone/pulse/pixel, confermando la sensibilità al singolo fotone del sistema.

Significato
Il documento afferma che questo paradigma di imaging di conversione in frequenza ptychografico di Fourier non lineare fornisce una via scalabile verso l'imaging infrarosso ad alto rendimento con un numero massiccio di elementi risolvibili e sensibilità al singolo fotone. Superando i limiti fisici dell'apertura dei cristalli non lineari attraverso la sintesi computazionale, la tecnica abilita imaging MIR ad alta risoluzione e ampio campo a temperatura ambiente senza la necessità di hardware interferometrico complesso. Gli autori suggeriscono che questa capacità è particolarmente preziosa per applicazioni che richiedono analisi non distruttiva, come il controllo di qualità industriale (ad esempio, ispezione di difetti nei semiconduttori) e la diagnosi biomedica, dove sono richiesti simultaneamente alta sensibilità e ampia copertura del campo. Il lavoro stabilisce una base per futuri imaging MIR multidimensionali che potrebbero integrare capacità iperspettrali, di fase e risolte in profondità.