Onderzoekers van de Faculteit Natuurkunde van de Universiteit van Warschau hebben samen met collega's van Stanford University en Oklahoma State University een kwantum-geïnspireerde fase-imaging-methode geïntroduceerd, gebaseerd op correlatiemetingen van lichtintensiteit, die robuust is tegen faseruis.

De nieuwe beeldvormingsmethode kan zelfs bij extreem weinig licht werken en kan nuttig blijken in opkomende toepassingen zoals in infrarood- en röntgeninterferometrische beeldvorming en kwantum- en materiegolf-interferometrie. De resultaten van het onderzoek zijn gepubliceerd in Science Advances .

Of je nu foto's maakt van een kat met je smartphone of celculturen in beeld brengt met een geavanceerde microscoop, dit doe je door de intensiteit (helderheid) van licht pixel voor pixel te meten. Licht wordt niet alleen gekenmerkt door zijn intensiteit, maar ook door zijn fase. Interessant is dat transparante objecten zichtbaar kunnen worden als je de fasevertraging van het licht dat ze introduceren kunt meten.

Fasecontrastmicroscopie, waarvoor Frits Zernike in 1953 de Nobelprijs ontving, zorgde voor een revolutie in de biomedische beeldvorming vanwege de mogelijkheid om hoge resolutiebeelden te verkrijgen van verschillende transparante en optisch dunne monsters. Het onderzoeksveld dat voortkwam uit de ontdekking van Zernike omvat moderne beeldvormingstechnieken zoals digitale holografie en kwantitatieve fasebeeldvorming.

"Het maakt labelvrije en kwantitatieve karakterisering van levende exemplaren, zoals celculturen, mogelijk en kan toepassingen vinden in de neurobiologie of kankeronderzoek", legt Dr. Radek Lapkiewicz uit, hoofd van het Quantum Imaging Laboratory aan de Faculteit Natuurkunde van de Universiteit van Warschau.

Er is echter nog ruimte voor verbetering. “Interferometrie, een standaard meetmethode voor nauwkeurige diktemetingen op elk punt van het onderzochte object, werkt bijvoorbeeld alleen als het systeem stabiel is en niet onderhevig is aan schokken of verstoringen. Het is een hele uitdaging om zo’n test uit te voeren, want bijvoorbeeld in een rijdende auto of op een schudtafel", legt Jerzy Szuniewcz uit, een doctoraatsstudent aan de Faculteit Natuurkunde van de Universiteit van Warschau.

Onderzoekers van de Faculteit Natuurkunde van de Universiteit van Warschau besloten samen met collega's van Stanford University en Oklahoma State University dit probleem aan te pakken en een nieuwe methode voor fasebeeldvorming te ontwikkelen die immuun is voor fase-instabiliteit.

Terug naar de oude school

Hoe kwamen de onderzoekers op het idee voor de nieuwe techniek? Al in de jaren zestig toonden Leonard Mandel en zijn groep aan dat zelfs wanneer interferentie qua intensiteit niet waarneembaar is, correlaties de aanwezigheid ervan kunnen onthullen. "Geïnspireerd door de klassieke experimenten van Mandel wilden we onderzoeken hoe intensiteitscorrelatiemetingen kunnen worden gebruikt voor fasebeeldvorming", legt Lapkiewicz uit.

Bij een correlatiemeting keken ze naar paren pixels en keken of deze tegelijkertijd helderder of donkerder werden.

"We hebben aangetoond dat dergelijke metingen aanvullende informatie bevatten die niet kan worden verkregen met behulp van een enkele foto, dat wil zeggen intensiteitsmetingen. Met behulp van dit feit hebben we aangetoond dat bij fasemicroscopie op basis van interferentie waarnemingen mogelijk zijn, zelfs als standaard interferogrammen gemiddeld alle fase-informatie en er zijn geen randen vastgelegd in de intensiteit.

"Met een standaardbenadering zou je ervan uitgaan dat er geen bruikbare informatie in zo'n afbeelding zit. Het blijkt echter dat de informatie verborgen is in de correlaties en kan worden hersteld door meerdere onafhankelijke foto's van een object te analyseren, waardoor we perfecte foto's kunnen verkrijgen interferogrammen, ook al is de gewone interferentie niet waarneembaar vanwege de ruis", voegt Lapkiewicz toe.

"In ons experiment wordt het licht dat door een faseobject gaat (ons doel, dat we willen onderzoeken) gesuperponeerd met een referentielicht. Er wordt een willekeurige fasevertraging geïntroduceerd tussen het object en de referentielichtbundels - deze fasevertraging simuleert een verstoring waardoor de standaard fasebeeldvormingsmethoden worden belemmerd. Bijgevolg wordt er geen interferentie waargenomen wanneer de intensiteit wordt gemeten, dat wil zeggen dat er geen informatie over het faseobject kan worden verkregen uit intensiteitsmetingen.

"De ruimtelijk afhankelijke intensiteit-intensiteitscorrelatie vertoont echter een randpatroon dat de volledige informatie over het faseobject bevat. Deze intensiteit-intensiteitscorrelatie wordt niet beïnvloed door enige tijdelijke faseruis die langzamer varieert dan de snelheid van de detector (~ 10 nanoseconden in de uitgevoerd experiment) en kan worden gemeten door gegevens over een willekeurig lange tijdsperiode te verzamelen – wat een game changer is – langere meting betekent meer fotonen, wat zich vertaalt in een hogere nauwkeurigheid”, legt Jerzy Szuniewicz, de eerste auteur van het werk, uit. P>

Simpel gezegd:als we één enkel filmframe zouden opnemen, zou dat ene frame ons geen bruikbare informatie geven over hoe het onderzochte object eruit ziet. "Daarom hebben we eerst een hele reeks van dergelijke frames opgenomen met behulp van een camera en vervolgens de meetwaarden op elk paar punten van elk frame vermenigvuldigd. We hebben deze correlaties gemiddeld en een volledig beeld van ons object vastgelegd", legt Szuniewicz uit.

"Er zijn veel manieren mogelijk om het faseprofiel van een waargenomen object uit een reeks beelden te achterhalen. We hebben echter bewezen dat onze methode, gebaseerd op intensiteit-intensiteitscorrelatie en een zogenaamde off-axis holografietechniek, een optimale reconstructieprecisie biedt" zegt Stanisław Kurdziałek, de tweede auteur van het artikel.

Een slim idee voor donkere omgevingen

Een fasebeeldvormingsbenadering gebaseerd op intensiteitscorrelatie kan op grote schaal worden gebruikt in zeer luidruchtige omgevingen. De nieuwe methode werkt met zowel klassiek (laser en thermisch) als kwantumlicht. Het kan ook worden geïmplementeerd in het fotonentelregime, bijvoorbeeld met behulp van lawinediodes met enkele foton. "We kunnen het gebruiken in gevallen waarin er weinig licht beschikbaar is of wanneer we geen hoge lichtintensiteit kunnen gebruiken om het object niet te beschadigen, bijvoorbeeld een delicaat biologisch monster of een kunstwerk", legt Szuniewicz uit.

"Onze techniek zal de perspectieven op het gebied van fasemetingen verbreden, inclusief opkomende toepassingen zoals infrarood- en röntgenbeeldvorming en kwantum- en materiegolf-interferometrie", besluit Lapkiewicz.

Meer informatie: Jerzy Szuniewicz et al, Ruisbestendige fasebeeldvorming met intensiteitscorrelatie, Wetenschappelijke vooruitgang (2023). DOI:10.1126/sciadv.adh5396

Journaalinformatie: Wetenschappelijke vooruitgang

Aangeboden door Universiteit van Warschau