Forskare har visat att intrasslade fotoner kan användas för att förbättra penetrationsdjupet för optisk koherenstomografi (OCT) i mycket spridande material. Metoden representerar ett sätt att utföra OCT med medelinfraröda våglängder och kan vara användbar för oförstörande testning och analys av material som keramik och färgprover.

OCT är en oförstörande avbildningsmetod som ger detaljerade 3D-bilder av underjordiska strukturer. OCT utförs vanligtvis med synliga eller nära-infraröda våglängder eftersom ljuskällor och detektorer för dessa våglängder är lättillgängliga. Dock, dessa våglängder tränger inte särskilt djupt in i mycket spridda eller mycket porösa material.

I Optica , The Optical Societys (OSA) tidskrift för forskning med hög effekt, Aron Vanselow och kollegor från Humboldt-Universität zu Berlin i Tyskland, tillsammans med medarbetare vid Research Center for Non-Destructive Testing GmbH i Österrike, demonstrera ett proof-of-concept-experiment för mellan-infraröd OCT baserat på ultrabredband intrasslade fotonpar. De visar att detta tillvägagångssätt kan producera högkvalitativa 2D- och 3D-bilder av mycket spridda prover med hjälp av en relativt kompakt, enkel optisk installation.

"Vår metod eliminerar behovet av bredbandiga mellaninfraröda källor eller detektorer, som har gjort det utmanande att utveckla praktiska ULT-system som fungerar vid dessa våglängder, ", sa Vanselow. "Det representerar en av de första verkliga tillämpningarna där intrasslade fotoner är konkurrenskraftiga med konventionell teknik."

Tekniken kan vara användbar för många applikationer inklusive analys av de komplexa färgskikten som används på flygplan och bilar eller övervakning av beläggningar som används på läkemedel. Det kan också ge detaljerade 3D-bilder som skulle vara användbara för konstkonservering.

Att ta vara på kvantmekaniken

När fotoner är intrasslade, de beter sig som om de omedelbart kan påverka varandra. Detta kvantmekaniska fenomen är väsentligt för många kvantteknologiska applikationer under utveckling, såsom kvantavkänning, kvantkommunikation eller kvantberäkning.

För denna teknik, forskarna utvecklade och patenterade en olinjär kristall som skapar bredbandiga fotonpar med mycket olika våglängder. En av fotonerna har en våglängd som lätt kan detekteras med standardutrustning medan den andra fotonen är i det mellaninfraröda området, gör det svårt att upptäcka. När de svårupptäckta fotonerna lyser upp ett prov, de ändrar signalen på ett sätt som kan mätas med endast de lättupptäckta fotonerna.

"Vår teknik gör det enkelt att få användbara mätningar vid vad som är ett traditionellt svårhanterligt våglängdsområde på grund av tekniska utmaningar, sa Sven Ramelow, som skapade och vägledde forskningen. "Dessutom, lasrarna och optiken vi använde är inte komplexa och är också mer kompakta, robusta och kostnadseffektiva än de som används i nuvarande mellaninfraröda OCT-system."

Bildtagning med mindre ljus

För att demonstrera tekniken, forskarna bekräftade först att prestandan för deras optiska installation matchade teoretiska förutsägelser. De fann att de kunde använda sex storleksordningar mindre ljus för att uppnå samma signal-brusförhållande som de få konventionella mellaninfraröda OCT-systemen som nyligen har utvecklats.

"Vi blev positivt överraskade över att vi inte såg något brus i mätningarna utöver det inneboende kvantbruset från själva ljuset, ", sa Ramelow. "Detta förklarade också varför vi kan uppnå ett bra signal-brusförhållande med så lite ljus."

Forskarna testade sin installation på en rad verkliga prover, inklusive mycket spridda färgprover. De analyserade också två 900 mikron tjocka aluminiumoxidkeramiska staplar innehållande laserfrästa mikrokanaler. Den mellaninfraröda belysningen gjorde det möjligt för forskarna att fånga djupinformation och skapa en fullständig 3D-rekonstruktion av kanalstrukturerna. Porerna i aluminiumoxidkeramik gör detta material användbart för drogtester och DNA-detektion, men också mycket spridning vid de våglängder som traditionellt används för OCT.

Forskarna har redan börjat samarbeta med partners från industrin och andra forskningsinstitut för att utveckla ett kompakt OCT-sensorhuvud och ett komplett system för en kommersiell pilotapplikation.