تصوير طور لولبي بالأشعة تحت الحمراء مع فوتونات غير مكتشفة باستخدام معدّل حيّزي للضوء عند طول موجي مرئي

رؤية ما لا يُرى

عديد المواد المهمة — من الأنسجة البيولوجية إلى المواد الصناعية — تكشف عن خصائصها في ضوء الأشعة تحت الحمراء، وهو جزء من الطيف لا ترى عيوننا ولا معظم الكاميرات اليومية جيدًا. التحدي أن الكاميرات الحساسة للأشعة تحت الحمراء باهظة الثمن ومليئة بالضوضاء، بينما كاميرات الضوء المرئي رخيصة، ذات دقة عالية، ومتاحة بسهولة. يبين هذا العمل كيف يمكن استخدام بصريات كمومية ذكية وشكل ضوئي قابل للبرمجة لتشكيل صور تحت حمراء حادة مع تعزيز الحواف باستخدام كاميرا عادية للضوء المرئي فحسب، مع الميزة اللافتة أن الفوتونات المكتشفة لا تلمس الجسم المصوّر فعليًا.

ضوء يرى دون لمس

يبني التجربة على تقنية تُسمّى التصوير بالفوتونات غير المكتشفة. يقوم بلّورة خاصة بتحويل شعاع «مضخّ» عالي الطاقة إلى أزواج من الفوتونات ذات طاقة أقل: إحداها عند طول موجي مرئي وشريكتها في النطاق تحت الأحمر. يتيح الترتيب أن يُنتَج كل زوج في مرّتين مختلفتين عبر البلّورة، وتُنسّق المسارات بحيث، ما لم يتدخل شيء، لا توجد طريقة لمعرفة في أي مرّة وُلد زوج معين. هذه اللاتمايُزية المتعمدة تجعل الفوتونات المرئية تُشكّل نمط تداخل حساس للغاية لما يحدث لشريكاتها تحت الحمراء غير المكتشفة.

استخدام تحت الأحمر المخفي لرسم صورة

لإنشاء صورة، يوجّه الباحثون الشريكات تحت الحمراء نحو العينة — مثل هدف اختبار أو قناع منقّط — بينما يُوجَّه الشركاء المرئيون على مسار منفصل لا يلتقي بالعينة أبدًا. أي تغيّر في الشعاع تحت الأحمر، مثل الامتصاص أو إزاحة الطور أثناء مروره عبر العينة، يغيّر بشكل طفيف شروط التداخل. تظهر تلك التغيرات كتنويعات محلية في الإضاءة في نمط التداخل المرئي المسجّل بواسطة كاميرا تقليدية. على عكس «التصوير الشبح» (ghost imaging)، لا يحتاج هذا الأسلوب إلى تسجيل تزامن بين الفوتونين؛ إن مجرد إمكانية معرفة أي مسار اتّخذه الزوج كافية لتشكيل الصورة المرئية.

تشكيل الضوء باللون الخطأ عن قصد

في العديد من الميكروسكوبات الحديثة، يوجد جهاز يُدعى معدّل الضوء المكاني (SLM) في مستوى فورييه — وهو مستوى بصري حيث تقابل التفاصيل المختلفة في الصورة ترددات مكانية مختلفة. بتغيير طور هذه الترددات، يمكن هندسة دالة انتشار النقطة وتعزيز التباين، تصحيح الشوائب، أو إبراز الحواف. ومع ذلك، تعمل أجهزة SLM السائلة البلّورية القياسية بشكل سيّئ عند أطوال موجية في منتصف الأشعة تحت الحمراء. الابتكار الرئيسي هنا هو وضع SLM يعمل عند طول موجي مرئي في مسار الفوتونات المرئية، مع استخدامه للتأثير على كيفية ظهور الصورة تحت الحمراء. لأن نمط التداخل يعتمد بشكل مشترك على طور كلا الشعاعين، فإن قناع طور يُطبَّق على الشعاع المرئي فقط يعيد فعليًا تشكيل كيفية نقل معلومات العينة تحت الحمراء إلى الكاميرا.

إبراز الحواف بحيلة لولبية

يبرهن الفريق هذه الفكرة باستخدام نوع معين من مرشحات فورييه يعرف بقناع الطور اللولبي، والذي يُدخل طورًا يلتف بسلاسة حول نقطة مركزية. في البصريات التقليدية، يجعل هذا القناع كل نقطة في العينة تتشوّه إلى نمط على شكل حلقة (دونات) يكون طورها الداخلي سببًا في تداخل هدّام في المناطق المتجانسة وتداخل بنّاء عند التغيرات الحادة. نتيجة لذلك، تصبح المناطق الملساء مظلمة بينما تتوهّج الحواف، مما يعطي تعزيز حواف متعدد الاتجاهات. بعرض نمط لولبي على SLM الضوئي المرئي، يحصل الباحثون على نفس تأثير تمييز الحواف لعينة توجد فقط في الشعاع تحت الأحمر. تُظهِر الصور ذات الحقل الساطع ونظيراتها المفلترة لولبيًا أن الحواف تنقلب من مظلمة إلى مضيئة ويُسوَّى الخلفية، وذلك كله بينما لا يصل ضوء الأشعة تحت الحمراء لا إلى الـ SLM ولا إلى الكاميرا.

خطوات نحو رؤية تحت حمراء أوضح

يقوم المؤلفون بوصف دقة المجال البصري ونطاق الرؤية لنظامهم، مظهرين توافقًا وثيقًا بين الأداء المقاس والتنبؤات النظرية، ويناقشون مسائل عملية مثل الهالات المتبقية والتباين المحدود بسبب عدد وحدات بكسل SLM المحدود عبر الشعاع. ويستعرضون طرقًا لتحسين الاستقرار والكفاءة، على سبيل المثال باعتماد هندسة مُداخل أخرى أو استخدام SLMs ذات بكسلات أدق. عمومًا، يبرهن هذا الدليل التجريبي أن معدّل ضوئي مرئي قابل للبرمجة وحده يمكنه التحكم في كيفية تحويل معلومات الأشعة تحت الحمراء إلى صورة مرئية، مما يمكّن من رؤى معزّزة الحواف لعيّنات عند أطوال موجية حيث تكون الكاميرات والمعدّلات المناسبة نادرة. وعلى المدى الطويل، قد يتيح هذا النهج إدخال تقنيات تباين قوية مثل الميكروسكوب بالحقل المظلم وتباين الطور إلى حيز الأشعة تحت الحمراء دون الحاجة مطلقًا إلى الكشف المباشر عن ضوء تحت الأحمر.

الاستشهاد: Wolley, O., Pearce, E., Mekhail, S.P. et al. Spiral phase infrared imaging with undetected photons using a visible wavelength spatial light modulator. Sci Rep 16, 14130 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43775-3

الكلمات المفتاحية: التصوير الكمّي, المجهرية تحت الحمراء, معدّل ضوء مكاني, تعزيز الحواف, تباين طور لولبي