Spiralfas-infraröd avbildning med icke-upptäckta fotoner med en synlig våglängds-spatialljusmodulator

Att se det osynliga

Många ämnen av intresse — från biologiska vävnader till industrimaterial — avslöjar sina egenskaper i infrarött ljus, en del av spektrumet som våra ögon och de flesta vardagliga kameror inte ser väl. Utmaningen är att känsliga infraröda kameror är dyra och brusiga, medan synligljuskameror är billiga, högupplösta och vanliga. Detta arbete visar hur man med smart kvantoptik och en programmerbar ljusformare kan skapa skarpa, kantförstärkta infraröda bilder med endast en vanlig synligljuskamera, med den anmärkningsvärda vinkeln att de upptäckta fotonerna aldrig faktiskt rör vid det objekt som avbildas.

Ljus som ser utan att röra

Experimentet bygger vidare på en teknik kallad avbildning med icke-upptäckta fotoner. En speciell kristall omvandlar en högenergetisk ”pump”‑stråle till par av lägreenergetiska fotoner: en vid en synlig våglängd och dess partner i infrarött. Upplägget tillåter att varje par skapas i två olika passager genom kristallen, och banorna arrangeras så att, om inget stör, finns det inget sätt att veta i vilket passage ett visst par föddes. Denna avsiktliga icke‑skiljbarhet gör att de synliga fotonerna bildar ett interferensmönster som är ytterst känsligt för vad som händer deras icke‑upptäckta infraröda partners.

Använda dolt infrarött för att rita en bild

För att skapa en bild skickar forskarna de infraröda partnerfotonerna mot ett objekt — såsom ett testmål eller en mönstrad mask — samtidigt som de styr de synliga partnerfotonerna längs en separat bana som aldrig möter objektet. Eventuella förändringar i den infraröda strålen, såsom absorption eller fasförskjutningar när den passerar provet, förändrar subtilt förutsättningarna för interferens. Dessa förändringar syns som lokala variationer i ljusstyrka i det synliga interferensmönstret som registreras av en konventionell kamera. Till skillnad från ”ghost imaging” kräver detta tillvägagångssätt inte att man registrerar koincidensen mellan de två fotonerna; den blotta möjligheten att ta reda på vilken väg paret tog räcker för att forma den synliga bilden.

Skaffa ljus i fel färg med avsikt

I många moderna mikroskop sitter en enhet kallad spatial ljusmodulator (SLM) i ett Fouriertplan — ett optiskt plan där olika bilddetaljer motsvarar olika rumsliga frekvenser. Genom att ändra fasen hos dessa frekvenser kan man konstruera punktutbredningsfunktionen och förbättra kontrast, korrigera aberrationer eller framhäva kanter. Standard flytande kristall‑SLM:er fungerar dock dåligt vid mid‑infraröda våglängder. Nyckelinnovationen här är att placera en SLM för synligt ljus i banan för de synliga fotonerna, men använda den för att manipulera hur den infraröda bilden ser ut. Eftersom interferensmönstret beror gemensamt på fasen hos båda strålarna, omformar en fasmask som appliceras endast på den synliga strålen effektivt hur information från det infraröda objektet överförs till kameran.

Få kanter att poppa med en spiraltrick

Teamet demonstrerar idén med en särskild sorts Fourier‑filter känd som en spiralfas‑mask, som inför en mjukt vridande fas runt en central punkt. I konventionell optik får denna mask varje punkt i objektet att suddas ut till ett munkformigt mönster vars inre fas leder till destruktiv interferens i jämna områden och konstruktiv interferens vid skarpa förändringar. Som ett resultat blir släta områden mörka medan kanter ljusnar, vilket ger omnidirektionell kantförstärkning. Genom att visa ett spiralformat mönster på SLM:en för synligt ljus uppnår forskarna samma kantframhävande effekt för ett objekt som endast existerar i den infraröda strålen. Ljusa fält‑bilder och deras spiralfiltrerade motsvarigheter visar att kanter inverteras från mörka till ljusa och att bakgrunden jämnas ut, allt medan det infraröda ljuset aldrig når vare sig SLM:n eller kameran.

Steg mot skarpare infraröd syn

Författarna karakteriserar systemets upplösning och synfält och visar nära överensstämmelse mellan mätt prestanda och teoretiska förutsägelser, samt diskuterar praktiska frågor som kvarvarande interferensfransar och begränsat kontrast på grund av ett ändligt antal SLM‑pixlar över strålen. De skisserar sätt att förbättra stabilitet och effektivitet, till exempel genom att anta en annan interferometerngeometri eller använda SLM:er med finare pixlar. Sammantaget visar detta proof‑of‑concept att enbart synlig, programmerbar ljusmodulator kan styra hur infraröd information omvandlas till en synlig bild, vilket möjliggör kantförstärkta vyer av prover vid våglängder där lämpliga kameror och modulatorer är sällsynta. På längre sikt skulle detta tillvägagångssätt kunna föra kraftfulla kontrasttekniker som mörkfält och fas‑kontrastmikroskopi in i det infraröda området utan att man någonsin behöver detektera infrarött ljus direkt.

Citering: 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

Nyckelord: kvantavbildning, infraröd mikroskopi, spatial ljusmodulator, kantförstärkning, spiralfas-kontrast