Wide-field mid- to long-wave infrared imaging with undetected photons
Dit artikel demonstreert breedveld mid- tot langgolvig infraroodbeeldvorming (6–10 µm) met behulp van kwantumbeeldvorming met ongedetecteerde fotonen via niet-collineaire fase-matching in een AgGaS₂-kristal, waarbij achtergrondruisvrije werking bij kamertemperatuur wordt bereikt met een resolutie en acquisitietijden die aanzienlijk superieur zijn aan conventionele detectoren.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer
De wereld bekijken in infrarood licht onthult een verborgen laag van de werkelijkheid, waarin de warmte van een levende cel of de chemische signatuur van een molecuul zichtbaar wordt. Dit deel van het spectrum is een krachtig hulpmiddel voor wetenschappers en biedt een manier om materialen te identificeren aan de hand van hun unieke "vingerafdrukken", zonder dat ze met kleurstoffen of markers gelabeld hoeven te worden. Het vastleggen van deze beelden is echter lang een moeilijke taak geweest. Infrarood licht wordt gedomineerd door de thermische gloed van de omgeving zelf; op kamertemperatuur straalt alles een achtergrondruis uit die zwakke signalen overstemt. Om helder te kunnen zien, hebben traditionele camera's vaak dure, gespecialiseerde sensoren nodig die tot cryogene temperaturen gekoeld moeten worden, en zelfs dan is het proces traag en beperkt door deze overweldigende achtergrondwarmte.
Een andere benadering is ontstaan, die steunt op een vreemde eigenschap van licht die bekend staat als kwantuminterferentie. In plaats van te proberen de infrarode fotonen te detecteren die van een object afketsen, gebruikt deze methode hen enkel als een boodschapper. De techniek houdt in dat een lichtstraal wordt gesplitst in twee gekoppelde paren: één deel reist in het zichtbare spectrum, dat onze ogen en standaardcamera's kunnen zien, terwijl het andere deel in het infrarood reist. Deze twee stralen worden samen geboren en blijven op een manier verbonden die hen ononderscheidbaar van elkaar maakt. Als de infrarode straal met een object interageert, verandert dit het gedrag van zijn zichtbare partner, ook al heeft de zichtbare straal het object nooit geraakt. Door het zichtbare licht te meten, kunnen wetenschappers een beeld reconstrueren van wat het onzichtbare infrarode licht is tegengekomen, waardoor ze effectief de noodzaak om de infrarode fotonen direct te detecteren omzeilen. Dit betekent dat het beeld immuun is voor de thermische ruis die infraroodcamera's gewoonlijk teistert.
Onderzoekers aan het Imperial College London hebben dit concept nu genomen en er aanzienlijk op uitgebreid, door aan te tonen hoe men breedveldbeelden kan maken in het midden- tot langgolvig infraroodbereik, specifiek tussen 6 en 10 micrometer. Dit is een cruciaal gebied voor wetenschappelijke analyse, aangezien het de golflengten beslaat waarbij veel belangrijke chemische bindingen licht absorberen. In hun experiment gebruikte het team een kristal gemaakt van zilverthiogallaat om deze gekoppelde paren licht te genereren. Ze richtten de opstelling zo in dat de infrarode straal, die zij de "idler" noemen, door een monster ging, terwijl de zichtbare "signal"-straal naar een standaard siliciumcamera werd gericht. Omdat het infrarode licht nooit door de camera werd gedetecteerd, vermeed het systeem de achtergrondruis die dergelijke metingen gewoonlijk beperkt. De onderzoekers ontdekten dat deze methode hen in staat stelde om infrarood licht te detecteren op niveaus die minstens honderd keer zwakker zijn dan wat mogelijk is met de beste standaard infrarode detectoren die op kamertemperatuur werken.
Het team bereikte een hoog niveau van detail in hun beelden en loste meer dan 8.000 afzonderlijke punten op over het gezichtsveld. Bij een golflengte van 8 micrometer konden zij kenmerken onderscheiden die zo klein waren als 297 micrometer. Om het systeem te testen, plaatsten zij metalen maskers met specifieke patronen in het pad van de infrarode straal. De camera, die alleen naar het zichtbare licht keek, reconstrueerde de vormen van deze maskers succesvol en toonde de gaten en solide gebieden met helderheid. De onderzoekers toonden aan dat zij het systeem konden afstemmen op het fotograferen bij verschillende golflengten binnen het bereik van 6 tot 10 micrometer, simpelweg door de hoek van het kristal en de kleur van de laser die het pompt, aan te passen. Deze flexibiliteit suggereert dat de methode kan worden aangepast om specifieke chemische signatures in diverse materialen te targeten.
Snelheid was ook een belangrijke factor in hun succes. Het team demonstreerde twee manieren om de gegevens te verwerken. De eerste methode hield in dat er een reeks beelden werd gemaakt terwijl de fase van het licht langzaam werd verschoven, een proces dat ongeveer tien seconden per frame duurde en resulteerde in hoogwaardige beelden. De tweede methode gebruikte een enkele snapshot om het beeld te reconstrueren, waardoor de acquisitietijd werd teruggebracht tot slechts tien seconden voor het gehele beeld, zij het met een lichte concessie in beeldkwaliteit. Deze snelheid is een dramatische verbetering ten opzichte van traditionele infraroodspectroscopie-methoden, die uren kunnen duren om een soortgelijk beeld te produceren. De resultaten wijzen erop dat het mogelijk is om snelle, heldere en spectraal selectieve beeldvorming in het infrarood uit te voeren zonder de noodzaak van gekoelde detectoren of complexe apparatuur. Deze vooruitgang opent de deur naar nieuwe toepassingen in de biologie en chemie, waar het vermogen om moleculaire structuren snel en zonder achtergrondruis te zien, de manier waarop wetenschappers monsters analyseren, zou kunnen transformeren.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.