Mid-infrared single-photon computational temporal ghost imaging

Resumo Técnico: Imageamento Fantasma Temporal Computacional de Fóton Único no Infravermelho Médio

Declaração do Problema
A captura de formas de onda ópticas transitórias é essencial para revelar fenômenos dinâmicos em campos que vão desde comunicações por fibra óptica até espectroscopia ultrarrápida. No entanto, medições de alta velocidade e alta sensibilidade no regime do infravermelho médio (MIR) são significativamente impedidas pelas limitações dos detectores infravermelhos convencionais. Especificamente, detectores baseados em ligas de mercúrio-cádmio-teúrio (MCT) sofrem com tempos de vida longos dos portadores de carga, restringindo sua largura de banda a níveis abaixo de GHz. Além disso, detectores MIR de banda proibida estreita são afetados por corrente de escuro e ruído térmico à temperatura ambiente, frequentemente exigindo operação criogênica para sensibilidade de fóton único. Embora a imageamento fantasma temporal (TGI) ofereça uma solução para mitigar os requisitos de largura de banda ao utilizar correlações de intensidade, implementações anteriores foram amplamente restritas a comprimentos de onda visíveis ou de infravermelho próximo (NIR) devido à falta de moduladores MIR de alta velocidade e detectores MIR ultra-sensíveis. Demonstrações existentes de TGI em MIR dependeram de detectores convencionais que não alcançam sensibilidade de fóton único, deixando uma lacuna crítica na capacidade de realizar medições MIR rápidas, sensíveis e à temperatura ambiente.

Metodologia
Os autores propõem e implementam um sistema de imageamento fantasma temporal (TGI) computacional que integra de forma única a conversão de frequência não linear tanto para geração de padrões quanto para detecção, contornando assim a necessidade de modulação e detecção direta de MIR de alta velocidade. O sistema opera por meio de dois estágios não lineares principais:

1. Geração de Iluminação Estruturada (Conversão de Frequência Descendente): Um sinal NIR modulado rapidamente a 1,55 µm (gerado por um modulador eletro-óptico acionado por padrões elétricos pré-programados) é combinado com uma bomba de onda contínua a 1,064 µm. Esses feixes passam por geração de diferença de frequência (DFG) em um cristal de niobato de lítio periodicamente polarizado (PPLN) para produzir uma sequência de padrões de intensidade de sonda MIR a 3,4 µm. Essa abordagem aproveita a alta largura de banda dos moduladores NIR para contornar as limitações de largura de banda dos moduladores MIR disponíveis.
2. Detecção Sensível (Conversão de Frequência Ascendente): A sonda MIR passa pelo objeto temporal e entra em uma unidade de detecção por conversão de frequência ascendente. Aqui, o sinal MIR é misturado com um feixe de bomba em um segundo cristal PPLN colocado dentro de uma cavidade óptica externa para aprimorar a geração de soma de frequências (SFG). Esse processo converte o sinal MIR para 0,81 µm (NIR). O sinal convertido para cima é então detectado por detectores de silício de alto desempenho à temperatura ambiente, seja um fotodiodo para detecção linear ou um módulo de contagem de fótons únicos (SPCM) para cenários com escassez de fótons.
3. Reconstrução: O objeto temporal é reconstruído correlacionando as intensidades integrais registradas (ou contagens de fótons) com os padrões de iluminação estruturada pré-programados. O sistema utiliza uma matriz de Hadamard para modulação ortogonal e emprega algoritmos de sensoriamento comprimido (especificamente o algoritmo Lagrangeano aumentado de variação total) para permitir amostragem abaixo de Nyquist.

Resultados Principais

• Alta Resolução Temporal: O sistema alcança uma resolução temporal de 80 ps. Essa resolução é determinada pela largura de banda de 12,5 GHz do modulador NIR utilizado no experimento, efetivamente desacoplando a resolução temporal do jitter temporal intrínseco do detector de fóton único (846 ps).
• Sensibilidade de Fóton Único: O sistema demonstra sensibilidade de detecção recorde para TGI em MIR, recuperando com sucesso formas de onda MIR com um fluxo incidente tão baixo quanto 0,1 fótons/bit. Isso é alcançado usando a unidade de detecção por conversão de frequência ascendente acoplada a um módulo de contagem de fótons únicos.
• Sensoriamento Comprimido: Ao utilizar algoritmos de sensoriamento comprimido, o sistema alcança reconstruções fiéis em taxas de amostragem abaixo do limite de Nyquist. Uma razão de amostragem tão baixa quanto 20% produz um coeficiente de correlação de Pearson (PCC) superior a 85%, reduzindo o tempo de aquisição de dados em mais de 90% em comparação com a varredura raster completa.
• Transferência de Alta Fidelidade: O arranjo experimental verificou a transferência de informação de alta fidelidade entre as regiões espectrais NIR e MIR durante os processos de DFG e SFG, confirmada por matrizes de correlação cruzada de intensidade tempo a tempo.

Significado e Alegações
O artigo alega apresentar a primeira demonstração de TGI computacional em MIR no nível de fóton único. O significado deste trabalho reside em sua capacidade de abordar os desafios duplos de modulação de intensidade de alta velocidade e contagem de fótons de alta sensibilidade na região MIR sem exigir resfriamento criogênico ou detectores MIR diretos com tempos de resposta ultrarrápidos. Ao aproveitar componentes NIR de alto desempenho por meio de conversão espectral não linear, o sistema oferece um paradigma com resolução temporal de picosegundos, sensibilidade de fóton único e amostragem de dados eficiente. Os autores sugerem que essa abordagem pode ser estendida para regiões de infravermelho distante ou terahertz para atender demandas urgentes em sensoriamento rápido e sensível, como transferência de informação óptica de longa distância, medições de tempo de vida de fluorescência com escassez de fótons e espectroscopia no domínio do tempo não invasiva. O trabalho representa um passo significativo rumo à superação dos gargalos de detecção que anteriormente limitaram a aplicação da imageamento fantasma no espectro do infravermelho médio.