應(yīng)用探究|超越鬼成像（二）：基于ppln單晶體折返“無(wú)探測(cè)"量子成像

在上篇文章《應(yīng)用探究|量子成像技術(shù)探秘（一）：基于PPKTP晶體的未探測(cè)光子成像QIUP技術(shù)》中，我們分享了傳統(tǒng)QIUP技術(shù)。而在此基礎(chǔ)上，一種基于單非線性晶體的折返光路設(shè)計(jì)也逐漸流行。來(lái)自倫敦帝國(guó)理工學(xué)院物理系的布萊克特實(shí)驗(yàn)室分享了一種基于單塊PPLN晶體的緊湊型、低成本化的QIUP。

在本文中，來(lái)自英國(guó)Covesion公司的10mm長(zhǎng)PPLN晶體（MOPO515-0.5）作為波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵。泵浦光（532nm）首先 進(jìn)入PPLN晶體，發(fā)生第1次非簡(jiǎn)并SPDC，產(chǎn)生了糾纏的信號(hào)光子（例如808nm）以及閑頻光子（例如1559nm）。在DM2處，閑頻光與信號(hào)/泵浦光被分離，閑頻光前往樣品鏡（Sample mirror）和物體交互，而信號(hào)光和殘余的泵浦光則前往掃描鏡（Scanning mirror）。兩路光隨后各自反射回再次通過(guò)DM2回到PPLN晶體，折返回來(lái)的殘余泵浦光有概率發(fā)生第2次SPDC，再次產(chǎn)生光子對(duì)。由于光路被精確對(duì)準(zhǔn)重疊，兩次SPDC的信號(hào)光子和閑頻光子各自重疊在一起，無(wú)法確定光子對(duì)來(lái)自哪次通過(guò)，這種路徑不可區(qū)分性，使得干涉條紋得以出現(xiàn)。而當(dāng)物品被放置在第1次閑頻光的光路中時(shí)，原先閑頻光的振幅或者相位發(fā)生變化，路徑變得可區(qū)分，兩次閑頻光之間的干涉條件被破壞。這種變化會(huì)通過(guò)量子糾纏傳遞給信號(hào)光子，信號(hào)光子的干涉條紋同樣也會(huì)消失或發(fā)生變化。通過(guò)掃描鏡微調(diào)光程差，調(diào)整干涉條紋，并用低成本、普通的硅基cmos相機(jī)即可記錄不同掃描位置下的信號(hào)光強(qiáng)圖像，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步處理后即可重建樣品的紅外圖像，免去了使用昂貴且靈敏的scmos或emccd。

讓我們暫時(shí)脫離這“彎彎繞繞"的光路，其實(shí)這套光路的秘訣在于通過(guò)兩個(gè)反射鏡“走回頭路"。在我們上一篇介紹傳統(tǒng)QIUP的文章中，通過(guò)兩個(gè)非線性晶體PPKTP分別進(jìn)行兩次SPDC后，發(fā)生量子干涉。光子一旦產(chǎn)生，就一路向前，zui終到達(dá)探測(cè)器。而在本文中，通過(guò)兩個(gè)反射鏡，讓泵浦光兩次通過(guò)同一個(gè)PPLN晶體，從而實(shí)現(xiàn)了兩條路徑的模式重疊和干涉，節(jié)約了光學(xué)元件的數(shù)量，并大幅縮小了系統(tǒng)體積；對(duì)振動(dòng)、溫度波動(dòng)等干擾的魯棒性非常強(qiáng)。

文中特別提到，這套系統(tǒng)可以在實(shí)驗(yàn)室外的環(huán)境中進(jìn)行使用，在本地運(yùn)輸后也無(wú)需重新對(duì)準(zhǔn)。并且在“走回頭路“的過(guò)程中，反射鏡（特別是掃描鏡）引入可控的相位變化，從而影響了zui終的干涉條紋，同時(shí)獲取幅值和相位信息，比傳統(tǒng)QIUP的成像更為豐富。

由于Covesion的PPLN晶體包含多個(gè)極化周期，可以通過(guò)橫向平移PPLN晶體，令泵浦光到達(dá)具有不同極化周期的區(qū)域，憑借溫度調(diào)諧可以擴(kuò)展波長(zhǎng)的覆蓋范圍，產(chǎn)生706-839 nm的信號(hào)光子和1455-2159 nm的閑頻光子。這種可調(diào)諧特性使得系統(tǒng)能夠適配不同的應(yīng)用場(chǎng)景，例如，為探測(cè)不同物質(zhì)有的紅外特征吸收峰提供了潛在可能。

在上圖中，僅通過(guò)移動(dòng)PPLN晶體（不主動(dòng)控溫）就在室溫下實(shí)現(xiàn)了三個(gè)波長(zhǎng)的金微電極樣品成像。a) 探測(cè)波長(zhǎng)1450nm，檢測(cè)波長(zhǎng)840nm。(b) 探測(cè)波長(zhǎng)1620nm，檢測(cè)波長(zhǎng)792nm。(c) 探測(cè)波長(zhǎng)1783nm，檢測(cè)波長(zhǎng)758nm。而其中的 visibility/Contrast對(duì)應(yīng)的正是我們上一篇文章中提及的強(qiáng)度成像，直接反應(yīng)了物體不同部分對(duì)探測(cè)光的吸收程度。Contrast是在Visibility的基礎(chǔ)上優(yōu)化了計(jì)算方式，在較高背景噪聲下，也能真實(shí)反映樣品的吸收/散射分布。Phase則對(duì)應(yīng)的是相位成像，反應(yīng)了物體引起的折射率/厚度變化，可以展現(xiàn)強(qiáng)度成像無(wú)法獲取的弱吸收/透明樣品的信息。因此這種快速分析方法僅需3張圖像即可實(shí)時(shí)定量獲取樣品的透射率和相位變化信息。

在這個(gè)QIUP配置中，通過(guò)單個(gè)PPLN即實(shí)現(xiàn)了未探測(cè)光子的量子成像，免去了昂貴的紅外探測(cè)器即可實(shí)現(xiàn)紅外成像，抑制了熱背景噪聲。并且本研究還繼續(xù)將QIUP從實(shí)驗(yàn)室原型向便攜式設(shè)備進(jìn)行發(fā)展，下圖展示的即是同課題組設(shè)計(jì)的第二代系統(tǒng)。

展望未來(lái)，作者提到還有多種方法可以將工作波長(zhǎng)擴(kuò)展至中紅外區(qū)域，包括使用不同的泵浦波長(zhǎng)、不同的極化周期，以及不同的非線性材料。隨著向中紅外推進(jìn)，預(yù)計(jì)該系統(tǒng)將在化學(xué)和醫(yī)學(xué)相關(guān)應(yīng)用中成為一個(gè)有價(jià)值的工具。Covesion的PPLN晶體同樣是一個(gè)很好的選擇，晶體支持460 nm – 5100 nm的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換，覆蓋整個(gè)近紅外和中紅外區(qū)域。憑借高非線性系數(shù)，實(shí)現(xiàn)高效率轉(zhuǎn)換！

英國(guó)Covesion有限公司是一家擁有超過(guò)20年經(jīng)驗(yàn)的公司，提供300nm~5000nm全波段波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換產(chǎn)品解決方案，專(zhuān)注于高效 MgO:PPLN / PPKTP 晶體與波導(dǎo)的研究、開(kāi)發(fā)和制造。此外，Covesion還提供定制晶體服務(wù)，包括整個(gè)周期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、掩膜設(shè)計(jì)、晶體極化、切塊、拋光和鍍膜增透，以滿足特定波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換需求。

上海昊量光電設(shè)備有限公司作為英國(guó)Covesion在中國(guó)地區(qū)的獨(dú)代,負(fù)責(zé)其所有產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)的銷(xiāo)售、服務(wù)，以及售后技術(shù)支持等。

關(guān)于昊量光電：

上海昊量光電設(shè)備有限公司是光電產(chǎn)品專(zhuān)業(yè)代理商，產(chǎn)品包括各類(lèi)激光器、光電調(diào)制器、光學(xué)測(cè)量設(shè)備、光學(xué)元件等，涉及應(yīng)用涵蓋了材料加工、光通訊、生物醫(yī)療、科學(xué)研究、國(guó)防、量子光學(xué)、生物顯微、物聯(lián)傳感、激光制造等；可為客戶提供完整的設(shè)備安裝，培訓(xùn)，硬件開(kāi)發(fā)，軟件開(kāi)發(fā)，系統(tǒng)集成等服務(wù)。

參考文獻(xiàn)

Tong, Xin, Yide ide Zhang, and Lihong ihong V. Wang. "Enhancing Optical Microscopy with Quantum Entanglement." Optics and Photonics News 35.11 (2024): 32-39.

Lemos, Gabriela Barreto. “quantum imaging with Undetected Photons." SlideServe, 27 OCT. 2015.

Pearce, Emma, et al. "Practical quantum imaging with undetected photons." Optics Continuum 2.11 (2023): 2386-2397.