2020-04-02 22:34:01
使不可见可见纠缠的光子用于成像和测量技术

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纠缠的光子可用于改善成像和测量技术。位于耶拿的弗劳恩霍夫应用光学与精密工程研究所IOF的一组研究人员开发了一种量子成像解决方案,该解决方案可以使用极端的光谱范围和更少的光线,对组织样品进行高度详细的洞察。

尽管光学分析技术(例如显微镜和光谱学)在可见光波长范围内极为有效,但它们很快达到了红外或太赫兹范围的极限。但是,这正是隐藏有价值信息的地方。例如,可以基于它们的特征分子振动来区分诸如蛋白质,脂质和其他生化成分之类的生物物质。这些振动是由中红外到太赫兹范围内的光激发的,很难用常规测量技术检测到。 “如果能够捕获或诱导这些运动,则有可能确切地看到某些蛋白质,脂质和其他物质在细胞样品中的分布方式。例如,某些类型的癌症具有某些蛋白质的特征浓度或表达。这将这意味着可以更有效地发现和治疗这种疾病。对生物物质分布的更精确的了解也可以带来药物研究的重大进展。”来自Fraunhofer IOF的量子研究员MarkusGräfe博士说。

纠缠的光子-扭曲但又不同

但是如何使来自这些极端波长范围的信息可见?光子纠缠的量子力学效应正在帮助研究人员使他们能够利用不同波长的双光束。在干涉仪设置中,激光束通过非线性晶体传输,在其中产生两个纠缠光束。根据晶体的性质,这两个光束可以具有非常不同的波长,但是由于它们的缠结,它们仍然彼此连接。

“因此,当不可见红外范围内的一个光子束被发送到物体进行照明和相互作用时,它在可见光谱中的双光束被照相机捕获。由于纠缠的光粒携带相同的信息,因此生成了图像。即使到达相机的光线从未与实际物体发生相互作用,”Gräfe解释说。可见双胞胎本质上可以洞悉不可见双胞胎的状况。

在紫外线光谱范围内也可以使用相同的原理:紫外线容易损坏细胞,因此活体样品对该光极为敏感。这极大地限制了可用于研究的时间,例如持续几个小时或更长时间的细胞过程。由于在量子成像过程中较少的光和较小剂量的辐射会穿透组织细胞,因此可以在不破坏它们的情况下以更高的分辨率观察和分析更长的时间。

小组装和小结构

Gräfe说:“我们能够证明整个复杂过程可以以健壮,紧凑和便携的方式执行。”研究人员目前正在努力使该系统更加紧凑,将其缩小到鞋盒的大小,并进一步提高其分辨率。他们希望实现的下一步是,例如,量子扫描显微镜。像使用激光扫描显微镜一样,将对其进行扫描,而不是使用广角照相机捕获图像。研究人员希望这能产生小于1微米(1 µm)的更高分辨率,从而能够更详细地检查单个细胞内的结构。平均而言,一个单元的大小约为10微米。从长远来看,他们希望将量子成像作为一种基本技术集成到现有的显微镜系统中,从而降低了行业用户的壁垒。

演示者是弗劳恩霍夫灯塔项目QUILT的成果之一,该项目汇集了弗劳恩霍夫应用光学和精密工程学院IOF,物理测量技术IPM,微电子电路和系统IMS,工业数学ITWM,光电,系统技术和图像曝光IOSB以及激光技术ILT。

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