Imágenes infrarrojas con fase espiral usando fotones no detectados y un modulador espacial de luz en longitudes de onda visibles

Viendo lo invisible

Muchas sustancias de interés —desde tejidos biológicos hasta materiales industriales— revelan sus propiedades en el infrarrojo, una parte del espectro que nuestros ojos y la mayoría de las cámaras cotidianas no detectan bien. El problema es que las cámaras infrarrojas sensibles son caras y ruidosas, mientras que las cámaras para luz visible son económicas, de alta resolución y omnipresentes. Este trabajo muestra cómo usar óptica cuántica ingeniosa y un modulador programable de luz para formar imágenes infrarrojas nítidas con realce de bordes usando únicamente una cámara estándar para luz visible, con la notable particularidad de que los fotones detectados nunca tocan en realidad el objeto que se está imaginando.

Luz que ve sin tocar

El experimento se basa en una técnica llamada imagen con fotones no detectados. Un cristal especial convierte un haz de “bombeo” de alta energía en pares de fotones de menor energía: uno en una longitud de onda visible y su compañero en el infrarrojo. La disposición permite que cada par se cree en dos pasadas distintas por el cristal, y las trayectorias se organizan de modo que, a menos que algo interfiera, no hay forma de saber en cuál pasada nació un par dado. Esta indistinguibilidad deliberada hace que los fotones visibles formen un patrón de interferencia extremadamente sensible a lo que le ocurre a sus socios infrarrojos no detectados.

Usar el infrarrojo oculto para dibujar una imagen

Para formar una imagen, los investigadores envían los fotones infrarrojos hacia un objeto —por ejemplo, una diana de prueba o una máscara con patrones— mientras guían a los compañeros visibles por una ruta separada que nunca encuentra el objeto. Cualquier cambio en el haz infrarrojo, como absorción o desplazamientos de fase al atravesar la muestra, altera sutilmente las condiciones de interferencia. Esos cambios aparecen como variaciones locales de brillo en el patrón de interferencia de luz visible registrado por una cámara convencional. A diferencia de la “imagen fantasma”, este enfoque no requiere registrar coincidencias entre los dos fotones; la mera posibilidad de determinar qué camino siguió el par basta para esculpir la imagen visible.

Moldear luz del color equivocado a propósito

En muchos microscopios modernos, un dispositivo llamado modulador espacial de luz (SLM) se sitúa en un plano de Fourier —un plano óptico donde distintos detalles de la imagen corresponden a diferentes frecuencias espaciales. Al cambiar la fase de estas frecuencias, se puede diseñar la función de difusión del punto, mejorar el contraste, corregir aberraciones o enfatizar bordes. Sin embargo, los SLMs estándar de cristal líquido funcionan mal en longitudes de onda en el infrarrojo medio. La innovación clave aquí es colocar un SLM para longitudes de onda visibles en la ruta de los fotones visibles, y aun así usarlo para manipular cómo se ve la imagen infrarroja. Dado que el patrón de interferencia depende conjuntamente de la fase de ambos haces, una máscara de fase aplicada solo al haz visible remodela efectivamente cómo la información del objeto infrarrojo se transfiere a la cámara.

Hacer que los bordes destaquen con un truco espiral

El equipo demuestra esta idea con un tipo particular de filtro de Fourier conocido como máscara de fase espiral, que introduce una fase que gira suavemente alrededor de un punto central. En óptica convencional, esta máscara hace que cada punto del objeto se difumine en un patrón en forma de rosquilla cuya fase interna conduce a interferencia destructiva en regiones uniformes e interferencia constructiva en cambios bruscos. Como resultado, las áreas lisas se apagan mientras que los bordes se iluminan, proporcionando un realce omnidireccional de bordes. Al mostrar un patrón espiral en el SLM de luz visible, los investigadores obtienen el mismo efecto de resaltado de bordes para un objeto que existe únicamente en el haz infrarrojo. Las imágenes en campo claro y sus contrapartes filtradas por la espiral muestran que los bordes se invierten de oscuros a brillantes y el fondo se aplana, todo ello mientras la luz infrarroja nunca alcanza ni el SLM ni la cámara.

Pasos hacia una visión infrarroja más nítida

Los autores caracterizan la resolución y el campo de visión de su sistema, mostrando una estrecha concordancia entre el rendimiento medido y las predicciones teóricas, y discuten aspectos prácticos como franjas residuales y contraste limitado debido al número finito de píxeles del SLM sobre el haz. Esbozan formas de mejorar la estabilidad y la eficiencia, por ejemplo adoptando una geometría de interferómetro diferente o usando SLMs con píxeles más finos. En conjunto, esta prueba de concepto muestra que un modulador de luz programable solo para visible puede controlar cómo se convierte la información infrarroja en una imagen visible, permitiendo vistas con realce de bordes de muestras en longitudes de onda donde cámaras y moduladores adecuados son escasos. A largo plazo, este enfoque podría llevar técnicas de contraste potentes, como campo oscuro y microscopía de contraste de fase, al dominio infrarrojo sin necesidad de detectar directamente la luz infrarroja.

Cita: 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

Palabras clave: imágenes cuánticas, microscopía infrarroja, modulador espacial de luz, realce de bordes, contraste por fase espiral