Configurazione sperimentale e immagini di interferenza. (A) Un laser a onda continua da 660 nm pompa un processo SPDC altamente non degenerato. I campi di segnale e idler generati sul primo passaggio del cristallo ppKTP da 2 mm sono divisi tramite uno specchio dicroico (DM). Il campione da acquisire è posto nel piano di Fourier dell'idler, che coincide con il suo specchio finale. Entrambi i campi di rinvio e di segnale vengono riflessi indietro, ricombinato, e retropropagato nel cristallo non lineare con il campo di pompa coerente. Il campo del segnale risultante viene ripreso su una telecamera CMOS. (B) costruttivo, distruttivo, e immagini di interferenza differenza del segnale per un ritaglio di cartone sondato dall'idler mid-IR. Barra della scala, 2mm. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abd0264
Le tecniche di microscopia che incorporano l'illuminazione nel medio infrarosso (IR) offrono enormi promesse in una vasta gamma di applicazioni biomediche e industriali grazie alla sua specificità biochimica unica. Però, il metodo è principalmente limitato dal campo di rilevamento, dove le tecniche di rilevamento del medio infrarosso (mid-IR) esistenti spesso combinano metodi inferiori che sono anche costosi. In un nuovo rapporto ora pubblicato su Progressi scientifici , Inna Kviatkovsky e un gruppo di ricerca in fisica, ricerca sperimentale e clinica, e medicina molecolare in Germania, hanno scoperto che l'interferometria non lineare con luce entangled ha fornito un potente strumento per la microscopia a medio infrarosso. La configurazione sperimentale richiedeva solo il rilevamento del vicino IR con una fotocamera a base di silicio. Hanno sviluppato un esperimento di prova di principio per mostrare l'imaging ad ampio campo su un'ampia gamma di lunghezze d'onda che copre da 3,4 a 4,3 micrometri (µm). La tecnica è adatta per acquisire immagini microscopiche di campioni di tessuto biologico a metà IR. Questo lavoro costituisce un approccio originale con potenziale rilevanza per l'imaging quantistico nelle scienze della vita.
Imaging a medio infrarosso
La microscopia e l'imaging mid-IR hanno un'ampia gamma di applicazioni in biologia, medicinale, scienze ambientali e microfluidica. Per esempio, i ricercatori possono utilizzare la luce nel medio infrarosso per rilevare le distinte modalità rotazionali e vibrazionali di molecole specifiche come "impronta digitale spettrale, " per superare la necessità di etichettatura. Tali tecniche prive di etichetta e non invasive sono importanti per le procedure di bioimmagine in tessuti viventi in gran parte inalterati. L'imaging spettroscopico IR con trasformata di Fourier è una tecnica di imaging mid-IR all'avanguardia che dipende fortemente su sorgenti e rivelatori IR a banda larga.I rivelatori IR sono, però, tecnicamente impegnativo, costose e talvolta richiedono il raffreddamento criogenico. Per evitare la necessità di rilevatori IR, i ricercatori devono sviluppare metodi coerenti di microscopia a dispersione Raman e anti-Stokes. Con un approccio nettamente diverso, hanno usato l'interferenza di una coppia di fotoni entangled con lunghezze d'onda molto diverse che non richiedono sorgenti laser o rilevatori alla lunghezza d'onda dell'immagine. In questo lavoro, Kviatkovski et al. ha utilizzato l'interferometria quantistica non lineare altamente multimodale come potente strumento per l'imaging microscopico nella regione del medio infrarosso con solo un laser visibile di media potenza e una fotocamera standard personalizzata a semiconduttore a ossido di metallo (CMOS). Hanno derivato formule esplicite per il campo visivo e la risoluzione dell'imaging ad ampio campo con coppie di fotoni altamente non degeneri.
Caratterizzazione delle disposizioni di imaging. Le immagini e i dati delle impostazioni non ingrandite e ingrandite sono presentate in arancione e verde, rispettivamente. (A) I FoV misurati delle configurazioni non ingrandite e ingrandite sono 9100 ± 82 e 819 ± 9 μm, rispettivamente. (B) Funzioni di risposta Edge adattate ai dati delle due disposizioni di imaging. (C) Le risoluzioni misurate delle configurazioni non ingrandite e ingrandite sono 322 ± 5 e 35 ± 5 μm, rispettivamente. Vengono presentate le caratteristiche più piccole in un obiettivo di risoluzione che possono essere risolte per ogni disposizione. L'ingrandimento di 10 volte, con conseguente ridimensionamento della risoluzione e del FoV, si manifesta in un'estensione più stretta lungo la direzione orizzontale (accentuata dal rettangolo ombreggiato verde nelle trame). La barra della scala arancione corrisponde a 2 mm, e la barra della scala verde corrisponde a 0,1 mm. Le immagini non ingrandite (ingrandite) sono state acquisite con un tempo di integrazione di 1 s e una potenza della pompa di 200 (400) mW. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abd0264 
Gli scienziati hanno sviluppato un interferometro non lineare facendo passare due volte un cristallo di potassio titanil fosfato (ppKTP) con polarità periodica in una geometria piegata di Michelson (un modello di interferenza). La pompa ha fatto passare il cristallo due volte per generare una singola coppia di fotoni di segnale e idler attraverso una conversione parametrica spontanea verso il basso (SPDC) - un processo ottico non lineare in cui un fotone si divide spontaneamente in altri due fotoni di energia inferiore in un laboratorio di ottica. Il metodo SPDC costituisce attualmente la base di molti esperimenti di ottica quantistica nei laboratori, che spaziano dalla crittografia quantistica, metrologia quantistica per facilitare anche la verifica delle leggi fondamentali della meccanica quantistica. Le modalità del segnale e dell'idler si sono allineate dopo il primo passaggio del cristallo per propagarsi all'indietro per il secondo passaggio e si sovrappongono perfettamente per generare bifotoni. Kviatkovski et al. misurato l'interferenza guardando i fotoni del segnale con una fotocamera CMOS, senza includere componenti complessi o costosi per realizzare tale configurazione. Il team ha progettato il cristallo non lineare per segnali altamente non degeneri e lunghezze d'onda inattive e ha selezionato le lunghezze d'onda inattive utilizzando l'adattamento di fase a banda larga. In questo modo, l'esperimento ha consentito il recupero simultaneo della fase risolta spazialmente e delle informazioni sull'ampiezza di un campione e il team ha caratterizzato le proprietà di imaging mid-IR con una fotocamera CMOS standard per rilevare e acquisire immagini microscopiche di un campione biologico.
Imaging multispettrale. Ottenuto immagini di trasmissione del segnale per diverse lunghezze d'onda di illuminazione a medio infrarosso. Barra della scala, 2mm. Gli spettri sono stati registrati alla lunghezza d'onda del segnale con uno spettrometro a reticolo e convertiti nella corrispondente lunghezza d'onda dell'IR medio. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abd0264
Caratterizzazione sperimentale e proof-of-concept
Durante la caratterizzazione iniziale della tecnica di imaging, Kviatkovski et al. posizionato entrambi gli specchi dell'interferometro nel campo lontano del cristallo e quindi posizionato il campione da riprendere sullo specchio folle. La configurazione non ingrandita ha fornito un processo semplice per caratterizzare la capacità di imaging del sistema, anche se con risoluzione limitata. Gli scienziati hanno illuminato un obiettivo di risoluzione del percorso chiaro dell'aeronautica americana (USAF), dove i valori risultanti erano coerenti con un quadro teorico generalizzato dall'imaging fantasma. Hanno combinato la natura a banda larga della sorgente di conversione verso il basso con strette correlazioni energetiche condivise tra il segnale e l'idler per consentire facilmente l'imaging iperspettrale. Durante le dimostrazioni di proof-of-concept, hanno utilizzato un filtro di interferenza sintonizzabile con una larghezza di banda di 3,5 nm immediatamente prima del rilevamento e hanno ottenuto una risoluzione spettrale migliorata con un filtraggio più stretto.
Utilizzo del metodo per il bioimaging
Il team ha mostrato il potenziale del metodo per indagare su campioni biologici utilizzando un campione istologico non colorato di un cuore di topo. Hanno ottenuto immagini mid-IR scansionando assialmente lo spostamento dell'interferometro all'interno della lunghezza di coerenza e hanno estratto la visibilità e la fase del segnale di interferenza per ciascun pixel. I risultati hanno eliminato qualsiasi ambiguità tra perdita e interferenza distruttiva che potrebbe sorgere in una misurazione a colpo singolo. Il lavoro ha permesso la ricostruzione diretta delle immagini a contrasto di fase ad ampio campo. Le immagini risultanti hanno mostrato una porzione dell'endocardio, lo strato più interno che riveste i ventricoli cardiaci in viola scuro per indicare un elevato assorbimento di fotoni. Lo strato separava il ventricolo e il miocardio; il muscolo cardiaco che costituisce la maggior parte del tessuto cardiaco. La chiarezza dell'imaging ha evidenziato l'elevata tolleranza del metodo di imaging presentato per superare la perdita e la dispersione.
Bioimmagini. Campione istologico di un cuore di topo con (A) microscopia in campo chiaro con luce visibile per l'illustrazione della parte del campione che abbiamo studiato con il nostro metodo. (B e C) Microscopia Mid-IR dello stesso campione con fotoni non rilevati per l'imaging di assorbimento (B) e fase (C). Barra della scala, 200 micron. Le immagini sono state ricostruite facendo una media di 10 immagini al tempo di integrazione di 1 s per 15 posizioni assiali all'interno della lunghezza di coerenza del bifotone. La potenza della pompa era di 400 mW, corrispondente a una potenza di illuminazione del campione inferiore a 20 pW. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abd0264 
In questo modo, Inna Kviatkovskij, e colleghi hanno mostrato come l'imaging mid-IR con interferometria non lineare abbia svolto un ruolo significativo nelle attività di imaging del mondo reale che richiedono componenti economici per la scienza frugale. Il team ha ottenuto una funzionalità di imaging fino alla scala di 35 micron, dove l'imaging iperspettrale esteso era semplice grazie all'uso di una strategia di conversione parametrica spontanea a banda larga (SPDC) a banda larga. Il team ha mostrato la promessa del mondo reale di questo nuovo metodo attraverso il rilevamento biologico non distruttivo durante l'imaging di un campione biologico umido con una bassa illuminazione del campione. La strategia ha permesso a qualsiasi informazione trasportata da un fotone pigro di essere perfettamente trasferita al fotone di segnale. Sebbene la risoluzione spaziale di questo lavoro fosse ancora superiore a quella prevista per i sistemi mid-IR all'avanguardia, le estensioni per ottenere maggiori capacità di imaging erano semplici.
Il team ha mostrato l'interferometria non lineare con fotoni sperimentalmente entangled per fornire un metodo potente ed economico per la microscopia nella regione dell'IR medio. Il lavoro ha sfruttato la maturità della tecnologia di rilevamento del vicino IR basata sul silicio per l'imaging a medio infrarosso con un'illuminazione a livello di luce eccezionalmente basso. Il lavoro può essere esteso all'imaging iperspettrale su microscala. Come prova del concetto, gli scienziati hanno ripreso un campione biologico utilizzando la luce quantistica per rivelare le caratteristiche morfologiche ad alta risoluzione. I risultati apriranno la strada alla banda larga, spettroscopia iperspettrale nel medio IR con imaging ad ampio campo per diverse applicazioni in biologia e ingegneria biomedica.
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