Kwantowa optyczna koherentna tomografia

Kwantowa optyczna koherentna tomografia (Q-OCT) to technika obrazowania wykorzystująca nieklasyczne (kwantowe) źródła światła do generowania obrazów o wysokiej rozdzielczości w oparciu o efekt Hong- Ou-Mandela (HOM). Q-OCT jest podobny do konwencjonalnego OCT , ale wykorzystuje interferometr czwartego rzędu, który zawiera dwa fotodetektory zamiast interferometru drugiego rzędu z jednym fotodetektorem. Podstawową zaletą Q-OCT w porównaniu z OCT jest niewrażliwość na dyspersję parzystego rzędu w wielowarstwowych i rozpraszających ośrodkach.

Do tej pory opracowano kilka kwantowych źródeł światła. Przykładem takich nieklasycznych źródeł jest spontaniczna parametryczna konwersja w dół , która generuje splątane pary fotonów (foton bliźniaczy). Splątane fotony są emitowane parami i mają silniejsze niż klasyczne korelacje czasowe i przestrzenne. Splątane fotony są antyskorelowane pod względem częstotliwości i kierunków. Jednak nieklasyczne źródła światła są drogie i ograniczone, kilka kwantowo-mimetycznych źródeł światła zostało opracowanych na podstawie klasycznego światła i nieliniowej optyki, które naśladują eliminację dyspersji i wyjątkowe dodatkowe korzyści.

Teoria

Zasadą Q-OCT jest interferometria czwartego rzędu. Układ optyczny oparty jest na Hong ou Mandel (HOM) z nieklasycznym źródłem światła . Bliźniacze fotony wędrują do i rekombinują z ramienia odniesienia i ramienia próbki, a współczynnik koincydencji jest mierzony z opóźnieniem czasowym.

Nieliniowy kryształ jest pompowany przez laser i generuje pary fotonów o antykorelowanej częstotliwości. Jeden foton przechodzi przez próbkę, a drugi przez pewien czas opóźnienia przed interferometrem. $)$ mierzona jako funkcja różnicy długości ( przez parę detektorów zliczających pojedyncze fotony i zbieg lada.

Ze względu na kwantową destrukcyjną interferencję oba fotony wychodzą z tego samego portu, gdy długości ścieżek optycznych są równe. Współczynnik koincydencji gwałtownie spada, gdy różnica długości dróg optycznych wynosi zero. Takie spadki są wykorzystywane do monitorowania współczynnika odbicia próbki w funkcji głębokości.

Źródło bliźniaczych fotonów charakteryzuje się stanem splątania częstotliwości:

${\ Displaystyle \ lewo | \ psi \ prawo \ rangle = \ int \, d \ Omega \ zeta (\ Omega) \ lewo | \ omega _ {0} + \ Omega \ prawo \ rangle _ { 1}\left|\omega _{0}-\Omega \right\rangle _{2},}$

gdzie $\ Omega} }$ centralnej częstotliwości kątowej fal z dwoma fotonami, ${$ $Displaystyle$ to widmowa amplituda prawdopodobieństwa.

Odzwierciedlająca próbka jest opisana przez funkcję przenoszenia:

${\ Displaystyle H (\ omega) = \ int \ ograniczenia _ {0} ^ {\ infty} \, dzr (z,\omega)e^{i2\phi (z,\omega)},}$

gdzie ${\ Displaystyle H (\ omega) = r (z, \ omega)}$ jest złożonym współczynnikiem odbicia od głębokości ${\ Displaystyle z}$ ,

Współczynnik zbieżności jest wtedy określony przez do $(\ tau _ {q})}$

${\ Displaystyle C (\ tau _ {q}) \ propto \ Lambda _ {0} -Re {\ Lambda (2 \ tau _ {q} )},}$

Gdzie

${\ Displaystyle \ Lambda _ {0} = \ int \, d \ Omega | H (\ omega _ {0} + \ Omega) | ^ {2} S (\ Omega)}$ ,

I

${\ Displaystyle \ Lambda (\ tau _ {q}) = \ int \ ,d\Omega H(\omega _{0}+\Omega )H^{\ast}(\omega _{0}-\Omega)S(\Omega)e^{-i\Omega \tau _{q }},}$

reprezentują stały (interferencja własna) i zmienny wkład (interferencja krzyżowa).

Spadki na wykresie częstości koincydencji wynikają z odbić od każdej z dwóch powierzchni. Gdy dwa fotony mają równe całkowite długości ścieżek, zachodzi destrukcyjna interferencja amplitudy prawdopodobieństwa dwóch par fotonów.

Zalety

W porównaniu z konwencjonalnym OCT, Q-OCT ma kilka zalet:

większy stosunek sygnału do tła;
wewnętrzne zwiększenie rozdzielczości o współczynnik dwóch dla tej samej szerokości pasma źródła;
składowe interferogramu niewrażliwe na dyspersję ośrodka parzystego;
składowych interferogramu wrażliwych na dyspersję ośrodka

Aplikacje

Podobnie jak FD-OCT, Q-OCT może zapewnić obrazowanie 3D próbek biologicznych z lepszą rozdzielczością dzięki splątaniu fotonów. Q-OCT pozwala na bezpośrednie wyznaczenie dyspersji grupowo-prędkościowej (GVD) mediów. Rozwój kwantowo-mimetycznych źródeł światła oferuje wyjątkowe dodatkowe korzyści dla obrazowania kwantowego, takie jak zwiększony stosunek sygnału do szumu , lepsza rozdzielczość i szybkość akwizycji. Chociaż Q-OCT nie ma zastąpić OCT, ma pewne zalety jako paradygmat obrazowania biologicznego.