Onderzoekers hebben aangetoond dat verstrengelde fotonen kunnen worden gebruikt om de penetratiediepte van optische coherentietomografie (OCT) in sterk verstrooiende materialen te verbeteren. De methode vertegenwoordigt een manier om LGO uit te voeren met mid-infrarode golflengten en kan nuttig zijn voor niet-destructieve testen en analyse van materialen zoals keramiek en verfmonsters.

OCT is een niet-destructieve beeldvormingsmethode die gedetailleerde 3D-beelden van ondergrondse structuren levert. OCT wordt meestal uitgevoerd met behulp van zichtbare of nabij-infrarode golflengten omdat lichtbronnen en detectoren voor deze golflengten direct beschikbaar zijn. Echter, deze golflengten dringen niet erg diep door in sterk verstrooiende of zeer poreuze materialen.

In optiek , Het tijdschrift van de Optical Society (OSA) voor high-impact onderzoek, Aron Vanselow en collega's van Humboldt-Universität zu Berlin in Duitsland, samen met medewerkers van het Research Center for Non-Destructive Testing GmbH in Oostenrijk, een proof-of-concept-experiment demonstreren voor midden-infrarood OCT op basis van ultrabreedband verstrengelde fotonparen. Ze laten zien dat deze benadering 2D- en 3D-beelden van hoge kwaliteit kan produceren van sterk verstrooiende monsters met behulp van een relatief compacte, eenvoudige optische installatie.

"Onze methode elimineert de noodzaak voor breedband mid-infraroodbronnen of detectoren, waardoor het een uitdaging was om praktische LGO-systemen te ontwikkelen die op deze golflengten werken, "zei Vanselow. "Het is een van de eerste toepassingen in de echte wereld waarin verstrengelde fotonen concurreren met conventionele technologie."

De techniek kan voor veel toepassingen nuttig zijn, waaronder het analyseren van de complexe verflagen die worden gebruikt op vliegtuigen en auto's of het bewaken van de coatings die op farmaceutische producten worden gebruikt. Het kan ook gedetailleerde 3D-afbeeldingen opleveren die nuttig zouden zijn voor kunstconservering.

De kwantummechanica aanboren

Als fotonen verstrengeld zijn, ze gedragen zich alsof ze elkaar onmiddellijk kunnen beïnvloeden. Dit kwantummechanische fenomeen is essentieel voor veel kwantumtechnologietoepassingen die in ontwikkeling zijn, zoals kwantumdetectie, kwantumcommunicatie of kwantumcomputing.

Voor deze techniek is de onderzoekers ontwikkelden en patenteerden een niet-lineair kristal dat breedbandfotonenparen met zeer verschillende golflengten creëert. Een van de fotonen heeft een golflengte die gemakkelijk kan worden gedetecteerd met standaardapparatuur, terwijl het andere foton zich in het midden-infraroodbereik bevindt, waardoor het moeilijk te detecteren is. Wanneer de moeilijk te detecteren fotonen een monster verlichten, ze veranderen het signaal op een manier die kan worden gemeten met alleen de gemakkelijk te detecteren fotonen.

"Onze techniek maakt het gemakkelijk om bruikbare metingen te verkrijgen bij een traditioneel moeilijk te hanteren golflengtebereik vanwege technologische uitdagingen, " zei Sven Ramelow, die het onderzoek heeft bedacht en begeleid. "Bovendien, de lasers en optica die we gebruikten zijn niet complex en ook compacter, robuust en kosteneffectief dan die welke worden gebruikt in de huidige mid-infrarood OCT-systemen."

Beeldvorming met minder licht

Om de techniek te demonstreren, de onderzoekers bevestigden eerst dat de prestaties van hun optische opstelling overeenkwamen met theoretische voorspellingen. Ze ontdekten dat ze zes ordes van grootte minder licht konden gebruiken om dezelfde signaal-ruisverhouding te bereiken als de weinige conventionele midden-infrarood OCT-systemen die recentelijk zijn ontwikkeld.

"We waren positief verrast dat we geen ruis in de metingen zagen buiten de intrinsieke kwantumruis van het licht zelf, " zei Ramelow. "Dit verklaarde ook waarom we met zo weinig licht een goede signaal-ruisverhouding kunnen bereiken."

De onderzoekers testten hun opstelling op een reeks praktijkvoorbeelden, inclusief sterk verstrooiende verfmonsters. Ze analyseerden ook twee 900 micron dikke keramische stapels van aluminiumoxide met lasergefreesde microkanalen. Dankzij de mid-infraroodverlichting konden de onderzoekers diepte-informatie vastleggen en een volledige 3D-reconstructie van de kanaalstructuren maken. De poriën in aluminiumoxidekeramiek maken dit materiaal bruikbaar voor het testen van medicijnen en DNA-detectie, maar ook sterk verstrooid bij de golflengten die traditioneel worden gebruikt voor LGO.

De onderzoekers zijn al begonnen samen te werken met partners uit de industrie en andere onderzoeksinstituten om een ​​compacte OCT-sensorkop en een volledig systeem te ontwikkelen voor een commerciële proeftoepassing.