Инфракрасная спирально-фазовая визуализация с недетектированными фотонами с использованием пространственного модулятора света видимой длины волны

Видеть невидимое

Многие интересующие вещества — от биологических тканей до промышленных материалов — раскрывают свои характеристики в инфракрасном свете, части спектра, которую наши глаза и большинство повседневных камер видят плохо. Проблема в том, что чувствительные инфракрасные камеры дороги и шумны, тогда как камеры для видимого света недорогие, с высоким разрешением и повсеместно доступны. В этой работе показано, как с помощью изящных приёмов квантовой оптики и программируемого преобразователя волнового фронта получать резкие инфракрасные изображения с усилением краёв, используя только стандартную камеру для видимого света, с поразительной особенностью: зарегистрированные фотоны никогда фактически не касаются объекта, который изображают.

Свет, который видит, не касаясь

Эксперимент опирается на методику, называемую визуализацией с недетектированными фотонами. Особый кристалл преобразует высокоэнергетический «насосный» луч в пары фотонов меньшей энергии: один на видимой длине волны и его партнёр в инфракрасной. Установка устроена так, что каждая пара может рождаться при двух прохождениях через кристалл, а пути организованы таким образом, что, если ничто не вмешивается, невозможно определить, при каком прохождении возникла конкретная пара. Такое намеренное неразличение вызывает интерференционную картину видимых фотонов, чрезвычайно чувствительную к тому, что происходит с их недетектированными инфракрасными партнёрами.

Используя скрытый инфракрас для построения изображения

Чтобы создать изображение, исследователи направляют инфракрасные партнёры на объект — например, тестовую мишень или маску с узором — в то время как видимые партнёры ведут по отдельному пути, который никогда не пересекает объект. Любые изменения в инфракрасном луче, такие как поглощение или фазовые сдвиги при прохождении через образец, тонко меняют условия интерференции. Эти изменения проявляются как локальные вариации яркости в интерференционном узоре видимого света, регистрируемом обычной камерой. В отличие от «ghost imaging», этот подход не требует регистрации совпадений между двумя фотонами; сама возможность узнать, по какому пути прошла пара, достаточно влияет на формирование видимого изображения.

Целенаправленное формирование света не в том цвете

Во многих современных микроскопах устройство, называемое пространственным модулятором света (SLM), размещают в фурье-плоскости — оптической плоскости, где разные детали изображения соответствуют разным пространственным частотам. Изменяя фазу этих частот, можно формировать функцию рассеяния точки, усиливать контраст, корректировать аберрации или подчёркивать края. Однако стандартные жидкокристаллические SLM плохо работают в среднем инфракрасном диапазоне. Ключевое новшество здесь — поместить SLM для видимой длины волны в путь видимых фотонов, но использовать его для управления тем, как выглядит инфракрасное изображение. Поскольку интерференционная картина зависит совместно от фаз обоих лучей, фазовая маска, применённая только к видимому лучу, эффективно перекраивает то, как информация об инфракрасном объекте передаётся на камеру.

Выделение краёв с помощью спирального приёма

Команда демонстрирует эту идею с помощью особого типа фурье-фильтра, известного как спиральная фазовая маска, которая вводит плавно закручивающуюся фазу вокруг центральной точки. В привычной оптике эта маска заставляет каждую точку объекта размываться в виде бубликообразного образа, внутренняя фаза которого приводит к деструктивной интерференции в однородных областях и конструктивной интерференции на резких переходах. В результате гладкие участки темнеют, а края становятся яркими, обеспечивая всенаправленное усиление контуров. Отображая на SLM видимого света спиральный паттерн, исследователи получают тот же эффект выделения краёв для объекта, существующего только в инфракрасном луче. Яркостные изображения и их спирально-фильтрованные аналоги показывают, что края меняют поведение с тёмного на яркое, а фон выравнивается, при этом инфракрасный свет никогда не достигает ни SLM, ни камеры.

Шаги к более чёткому инфракрасному зрению

Авторы характеризуют разрешение и поле зрения своей системы, показывая хорошее согласие между измеренными показателями и теоретическими предсказаниями, и обсуждают практические вопросы, такие как остаточные фрингинги и ограниченный контраст из‑за конечного числа пикселей SLM, покрывающих пучок. Они описывают пути повышения стабильности и эффективности, например, за счёт использования другой геометрии интерферометра или SLM с более мелкими пикселями. В целом это доказательство концепции показывает, что программируемый модулятор света только для видимого диапазона может управлять тем, как инфракрасная информация преобразуется в видимое изображение, давая возможность получать изображения с усилением краёв на длинах волн, где подходящих камер и модуляторов мало. В перспективе этот подход может перенести мощные контрастные методы, такие как тёмнопольная и фазово-контрастная микроскопия, в инфракрасную область без необходимости прямого детектирования инфракрасного света.

Цитирование: 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

Ключевые слова: квантовая визуализация, инфракрасная микроскопия, пространственный модулятор света, усиление краёв, спиральный фазовый контраст