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Pesquisadores relataram as primeiras medições 3D adquiridas com imagens fantasmas quânticas. A nova técnica permite imagens 3D em um único nível de fóton, produzindo a menor dose de fóton possível para qualquer medição.
“A imagem 3D com fótons individuais pode ser usada para várias aplicações biomédicas, como diagnósticos oftalmológicos”, disse o pesquisador Carsten Pitsch, do Fraunhofer Institute of Optronics, System Technologies and Image Exploitation e Karlsruhe Institute of Technology, ambos na Alemanha. “Ele pode ser aplicado em materiais de imagem e tecidos sensíveis à luz ou drogas que se tornam tóxicas quando expostas à luz sem qualquer risco de danos.”
Na revista Optica Publishing Group Aplicado óptica, os pesquisadores descrevem sua nova abordagem, que incorpora novos detectores de matriz de diodo de avalanche de fóton único (SPAD). Eles aplicam o novo esquema de imagem, que chamam de detecção assíncrona, para realizar imagens 3D com imagens fantasmas quânticas.
“A detecção assíncrona também pode ser útil para aplicações militares ou de segurança, pois pode ser usada para observar sem ser detectada, ao mesmo tempo em que reduz os efeitos de superiluminação, turbulência e dispersão”, disse Pitsch. “Também queremos investigar seu uso em imagens hiperespectrais, que podem permitir que múltiplas regiões espectrais sejam registradas simultaneamente usando uma dose muito baixa de fótons. Isso pode ser muito útil para análises biológicas.”
Adicionando uma terceira dimensão
A imagem fantasma quântica cria imagens usando pares de fótons emaranhados nos quais apenas um membro do par de fótons interage com o objeto. O tempo de detecção de cada fóton é então usado para identificar pares emaranhados, o que permite que uma imagem seja reconstruída. Essa abordagem não apenas permite imagens em níveis de luz extremamente baixos, mas também significa que os objetos sendo fotografados não precisam interagir com os fótons usados para a geração de imagens.
As configurações anteriores para imagens fantasmas quânticas não eram capazes de imagens 3D porque dependiam de câmeras de dispositivo de carga acoplada intensificada (ICCD). Embora essas câmeras tenham boa resolução espacial, elas são fechadas por tempo e não permitem a detecção temporal independente de fótons individuais.
Para resolver esse problema, os pesquisadores desenvolveram uma configuração baseada em novas matrizes de diodo de avalanche de fóton único (SPAD) desenvolvidas para LiDAR e imagens médicas. Esses detectores têm vários pixels independentes com circuitos de temporização dedicados, o que lhes permite registrar o tempo de detecção de cada pixel com resolução de picossegundos.
A nova abordagem usa dois fótons emaranhados – um sinal e um intermediário – para obter imagens 3D com iluminação de fóton único. Isso envolve direcionar os fótons inativos para o objeto e, em seguida, detectar os fótons retroespalhados a tempo. Enquanto isso, os fótons de sinal são direcionados para uma câmera dedicada que detecta tantos fótons quanto possível no tempo e no espaço. Os pesquisadores então compararam o tempo de detecção de cada pixel com a detecção do detector de pixel único para reconstruir o emaranhamento. Isso também permitiu que eles determinassem o tempo de voo dos fótons intermediários em interação e, com isso, a profundidade do objeto.
Uma configuração adaptável
Outra inovação importante foi o poling periódico do cristal KTP usado para criar os fótons emaranhados. “Isso permite uma correspondência quase-fase altamente eficiente para praticamente qualquer trio de bomba-sinal-idler e nos permite escolher livremente os comprimentos de onda para iluminação e geração de imagens”, disse Pitsch. “Também nos permite adaptar a configuração a muitas outras aplicações ou comprimentos de onda.”
Os pesquisadores demonstraram os recursos 3D de seu esquema de detecção assíncrona usando duas configurações separadas diferentes. Um, que se assemelhava a um interferômetro de Michelson, adquiriu imagens usando dois braços separados espacialmente. Essa configuração permitiu aos pesquisadores analisar o desempenho do SPAD e melhorar a detecção de coincidências. A outra configuração usava ótica de espaço livre e era mais centrada no aplicativo. Em vez de imagens com dois braços separados, foram geradas imagens de dois objetos no mesmo braço.
Embora seja necessário mais trabalho, ambas as configurações funcionaram bem como uma demonstração de prova de conceito para a nova técnica. Os experimentos também mostraram que a detecção assíncrona pode ser usada para detecção remota, o que pode ser útil para medições atmosféricas.
Os pesquisadores agora estão trabalhando com um fabricante de SPAD para aumentar a resolução espacial e o ciclo de trabalho – a porcentagem de tempo em que o detector está ligado – para as câmeras SPAD. Eles também planejam substituir o detector de marcha lenta acoplado a fibra por um detector acoplado de espaço livre mais rápido que se tornou disponível recentemente. Por fim, eles planejam aplicar a configuração à imagem hiperespectral, que pode ser usada para realizar imagens no importante espectro do infravermelho médio sem a necessidade de detectores que funcionem nesses comprimentos de onda.
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