Obrazowanie fazy spiralnej w podczerwieni z użyciem niewykrywanych fotonów przy pomocy przestrzennego modulatora fazy dla światła widzialnego

Widzieć to, co niewidoczne

Wiele interesujących substancji — od tkanek biologicznych po materiały przemysłowe — ujawnia swoje cechy w świetle podczerwonym, części widma, której nasze oczy i większość codziennych aparatów nie widzi dobrze. Problem polega na tym, że czułe kamery podczerwone są drogie i zaszumione, podczas gdy kamery do światła widzialnego są tanie, o wysokiej rozdzielczości i powszechne. W tej pracy pokazano, jak za pomocą sprytnej optyki kwantowej i programowalnego kształtacza fali uzyskać ostre, z wzmocnionymi krawędziami obrazy w podczerwieni, używając wyłącznie standardowej kamery do światła widzialnego — z niezwykłym zagraniem polegającym na tym, że wykrywane fotony nigdy faktycznie nie stykają się z obserwowanym obiektem.

Światło, które widzi bez dotyku

Eksperyment opiera się na technice zwanej obrazowaniem z niewykrywanymi fotonami. Specjalny kryształ przekształca wiązkę „pompującą” o wyższej energii w pary fotonów o niższej energii: jeden o długości fali widzialnej i jego partner w podczerwieni. Układ pozwala na wytworzenie każdej pary w dwóch różnych przepuszczeniach przez kryształ, a ścieżki tak się ustawiają, że — chyba że coś interweniuje — nie da się określić, w którym przejściu dana para powstała. Celowa nieodróżnialność powoduje, że fotony widzialne tworzą wzór interferencyjny wysoce czuły na to, co dzieje się z ich niewykrywanymi partnerami podczerwonymi.

Używanie ukrytej podczerwieni do tworzenia obrazu

Aby uzyskać obraz, badacze kierują partnerów w podczerwieni ku obiektowi — na przykład tarczy testowej lub maski z wzorem — podczas gdy partnerzy widzialni podążają oddzielną trasą, która nigdy nie spotyka obiektu. Każda zmiana w wiązce podczerwieni, na przykład absorpcja lub przesunięcie fazowe podczas przejścia przez próbkę, subtelnie zmienia warunki interferencji. Zmiany te ujawniają się jako lokalne wariacje jasności we wzorze interferencyjnym rejestrowanym przez zwykłą kamerę do światła widzialnego. W przeciwieństwie do „ghost imaging”, podejście to nie wymaga rejestracji zbieżności pomiędzy dwoma fotonami; sama możliwość poznania, którą ścieżką para przeszła, wystarcza, by ukształtować widoczny obraz.

Celowe kształtowanie światła w niewłaściwym kolorze

W wielu nowoczesnych mikroskopach urządzenie zwane przestrzennym modulatorem światła (SLM) umieszczane jest w płaszczyźnie Fouriera — optycznej płaszczyźnie, gdzie różne szczegóły obrazu odpowiadają różnym częstotliwościom przestrzennym. Poprzez zmianę fazy tych częstotliwości można inżynieryjnie modyfikować funkcję rozkładu punktowego, zwiększać kontrast, korygować aberracje lub uwypuklać krawędzie. Jednak standardowe ciekłokrystaliczne SLMy działają słabo dla długości fal w średniej podczerwieni. Kluczową innowacją tutaj jest umieszczenie SLMu pracującego w świetle widzialnym na ścieżce fotonów widzialnych, a wykorzystanie go do manipulowania tym, jak wygląda obraz w podczerwieni. Ponieważ wzór interferencyjny zależy łącznie od fazy obu wiązek, maska fazowa zastosowana wyłącznie do wiązki widzialnej skutecznie przekształca sposób, w jaki informacja z obiektu podczerwonego jest przekazywana do kamery.

Wyróżnianie krawędzi za pomocą spiralnego triku

Zespół demonstruje tę ideę za pomocą szczególnego typu filtra Fouriera znanego jako maska fazy spiralnej, która wprowadza płynnie skręcającą się fazę wokół punktu centralnego. W optyce konwencjonalnej maska ta powoduje, że każdy punkt obiektu rozmywa się w wzór przypominający pączek, którego wewnętrzna faza prowadzi do interferencji destrukcyjnej w obszarach jednorodnych i interferencji konstruktywnej przy ostrych zmianach. W efekcie gładkie pola zanikają, podczas gdy krawędzie stają się jasne, dając wielokierunkowe wzmocnienie krawędzi. Wyświetlając spiralny wzór na SLMie dla światła widzialnego, badacze uzyskują ten sam efekt podkreślenia krawędzi dla obiektu istniejącego wyłącznie w wiązce podczerwonej. Obrazy w jasnym polu i ich spiralnie przefiltrowane odpowiedniki pokazują, że krawędzie odwracają się od ciemnych do jasnych, a tło zostaje wyrównane — i to wszystko przy tym, że światło podczerwone nigdy nie dociera ani do SLMu, ani do kamery.

Kroki w stronę ostrzejszego widzenia w podczerwieni

Autorzy charakteryzują rozdzielczość i pole widzenia swojego systemu, pokazując bliskie dopasowanie między zmierzoną wydajnością a przewidywaniami teoretycznymi, oraz omawiają kwestie praktyczne, takie jak resztkowe frędzle i ograniczony kontrast z powodu skończonej liczby pikseli SLM w stosunku do rozmiaru wiązki. Przedstawiają sposoby poprawy stabilności i efektywności, na przykład przez zastosowanie innej geometrycznej konfiguracji interferometru lub użycie SLMów o drobniejszych pikselach. Ogólnie rzecz biorąc, ten dowód koncepcji pokazuje, że programowalny kształtacz światła działający wyłącznie w świetle widzialnym może kontrolować, jak informacja podczerwona jest konwertowana na obraz widzialny, umożliwiając widoki próbek z wzmocnieniem krawędzi w zakresie długości fal, gdzie odpowiednie kamery i modulatory są rzadkie. W dłuższej perspektywie podejście to mogłoby wprowadzić potężne techniki kontrastu, takie jak mikroskopia w ciemnym polu czy kontrast fazowy, do domeny podczerwieni bez potrzeby bezpośredniego detektowania światła podczerwonego.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: obrazowanie kwantowe, mikroskopia w podczerwieni, przestrzenny modulator światła, wzmocnienie krawędzi, kontrast fazy spiralnej