Spiraalfase-infraroodbeeldvorming met ongedetecteerde fotonen met behulp van een ruimtelijks lichtmodulator bij zichtbare golflengte

Het onzichtbare zien

Veel interessante stoffen — van biologische weefsels tot industriële materialen — onthullen hun eigenschappen in infraroodlicht, een deel van het spectrum dat onze ogen en de meeste alledaagse camera’s niet goed waarnemen. Het probleem is dat gevoelige infraroodcamera’s duur en ruisgevoelig zijn, terwijl camera’s voor zichtbaar licht goedkoop, hoge resolutie en veelgebruikt zijn. Dit werk laat zien hoe slimme kwantumoptica en een programmeerbare lichtvormer kunnen worden gebruikt om scherpe, randversterkte infraroodbeelden te vormen met alleen een standaard zichtbare‑lichtcamera, met de opmerkelijke wending dat de gedetecteerde fotonen het afgebeelde object nooit daadwerkelijk aanraken.

Licht dat kijkt zonder te raken

Het experiment bouwt voort op een techniek die bekend staat als beeldvorming met ongedetecteerde fotonen. Een speciaal kristal zet een hoog‑energetische “pump”‑bundel om in paren van lagere energie: één bij een zichtbare golflengte en de partner in het infrarood. De opstelling maakt het mogelijk dat elk paar in twee verschillende doorgangen door het kristal wordt gemaakt, en de paden zijn zo gerangschikt dat, tenzij er iets tussenkomt, er geen manier is om te bepalen in welke doorgang een bepaald paar is ontstaan. Deze opzettelijke ononderscheidbaarheid zorgt ervoor dat de zichtbare fotonen een interferentiepatroon vormen dat uitermate gevoelig is voor wat er met hun ongedetecteerde infraroodpartners gebeurt.

Verborgen infrarood gebruiken om een afbeelding te maken

Om een beeld te maken sturen de onderzoekers de infraroodpartners naar een object — zoals een testtarget of een geprofileerd masker — terwijl ze de zichtbare partners langs een apart pad leiden dat het object nooit tegenkomt. Elke verandering in de infraroodbundel, zoals absorptie of faseschuivingen bij het passeren van het monster, verandert subtiel de voorwaarden voor interferentie. Die veranderingen verschijnen als lokale helderheidsvariaties in het zichtbare‑lichtinterferentiepatroon dat door een conventionele camera wordt vastgelegd. In tegenstelling tot “ghost imaging” heeft deze benadering geen coincidentie‑opnamen tussen de twee fotonen nodig; de loutere mogelijkheid om te weten welk pad het paar nam is voldoende om het zichtbare beeld te vormen.

Opzettelijk licht in de verkeerde kleur vormen

In veel moderne microscopen bevindt zich een apparaat dat een ruimtelijks lichtmodulator (SLM) wordt genoemd in een Fourier‑vlak — een optisch vlak waarin verschillende afbeeldingsdetails overeenkomen met verschillende ruimtelijke frequenties. Door de fase van deze frequenties te veranderen kan men de puntspreidingsfunctie sturen en contrast verbeteren, aberraties corrigeren of randen benadrukken. Standaard vloeibare‑kristal SLM’s werken echter slecht bij mid‑infrarode golflengten. De belangrijkste innovatie hier is het plaatsen van een SLM voor zichtbaar licht in het pad van de zichtbare fotonen, maar deze gebruiken om te beïnvloeden hoe het infraroodbeeld eruitziet. Omdat het interferentiepatroon gezamenlijk afhangt van de fase van beide bundels, vormt een fasemasker dat alleen op de zichtbare bundel wordt toegepast effectief hoe informatie van het infrarode object naar de camera wordt overgebracht.

Randen laten opvallen met een spiraaltruc

Het team demonstreert dit idee met een specifiek type Fourier‑filter dat bekendstaat als een spiraalfasemasker, dat een soepel draaiende fase rond een centraal punt introduceert. In conventionele optica zorgt dit masker ervoor dat elk punt in het object uitvaagt tot een donutvormig patroon waarvan de interne fase destructieve interferentie in uniforme regio’s en constructieve interferentie bij scherpe veranderingen veroorzaakt. Daardoor worden gladde gebieden donker terwijl randen helder worden, wat omnidirectionele randversterking oplevert. Door een spiraalpatroon op de SLM voor zichtbaar licht te tonen, verkrijgen de onderzoekers hetzelfde randbenadrukkende effect voor een object dat alleen in de infraroodbundel bestaat. Bright‑field beelden en hun spiraalgefilterde tegenhangers tonen dat randen van donker naar helder keren en de achtergrond wordt afgevlakt, terwijl het infraroodlicht noch de SLM noch de camera bereikt.

Stappen naar scherpere infraroodvisie

De auteurs karakteriseren de resolutie en het gezichtsveld van hun systeem, tonen nauwe overeenstemming tussen gemeten prestaties en theoretische voorspellingen, en bespreken praktische kwesties zoals resterende franje en beperkt contrast door het eindige aantal SLM‑pixels over de bundel. Ze schetsen manieren om stabiliteit en efficiëntie te verbeteren, bijvoorbeeld door een andere interferometergeometrie te gebruiken of SLM’s met fijnere pixels toe te passen. Over het geheel genomen toont dit proof‑of‑concept aan dat een alleen‑zichtbare, programmeerbare lichtmodulator kan bepalen hoe infraroodinformatie in een zichtbaar beeld wordt omgezet, waardoor randversterkte weergaven van monsters bij golflengten mogelijk worden waar geschikte camera’s en modulatoren schaars zijn. Op de lange termijn kan deze benadering krachtige contrasttechnieken zoals dark‑field en fasecontrastmicroscopie naar het infrarode domein brengen zonder ooit direct infraroodlicht te hoeven detecteren.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: kwantumbeeldvorming, infraroodmicroscopie, ruimtelijke lichtmodulator, randversterking, spiraalfasecontrast