Forscher nutzen SPAD-Detektor, um 3D-Quantengeisterbilder zu erstellen

Forscher haben über die ersten 3D-Messungen berichtet, die mit Quantum Ghost Imaging erfasst wurden. Die neue Technik ermöglicht die 3D-Bildgebung auf Einzelphotonenebene und liefert so die geringstmögliche Photonendosis für jede Messung.

„3D-Bildgebung mit einzelnen Photonen könnte für verschiedene biomedizinische Anwendungen genutzt werden, beispielsweise für die Augenpflegediagnostik“, sagte Forscher Carsten Pitsch vom Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung und dem Karlsruher Institut für Technologie, beide in Deutschland. „Es kann auf lichtempfindliche Bildmaterialien und Gewebe oder auf Medikamente angewendet werden, die bei Lichteinwirkung giftig werden, ohne dass die Gefahr einer Schädigung besteht.“

Im Angewandte Optikbeschreiben die Forscher ihren neuen Ansatz, der neue Single-Photon-Avalanche-Dioden-Array-Detektoren (SPAD) beinhaltet. Sie wenden das neue Bildgebungsschema, das sie als asynchrone Erkennung bezeichnen, an, um 3D-Bildgebung mit Quantengeisterbildgebung durchzuführen.

„Die asynchrone Erkennung könnte auch für militärische oder sicherheitstechnische Anwendungen nützlich sein, da sie zum Beobachten ohne Erkennung genutzt werden könnte und gleichzeitig die Auswirkungen von Überbeleuchtung, Turbulenzen und Streuung reduziert werden könnte“, sagte Pitsch. „Wir wollen auch den Einsatz in der hyperspektralen Bildgebung untersuchen, die die gleichzeitige Aufnahme mehrerer Spektralbereiche bei sehr geringer Photonendosis ermöglichen könnte. Dies könnte für die biologische Analyse sehr nützlich sein.“

Eine dritte Dimension hinzufügen

Quantum Ghost Imaging erzeugt Bilder mithilfe verschränkter Photonenpaare, bei denen nur ein Mitglied des Photonenpaars mit dem Objekt interagiert. Die Detektionszeit für jedes Photon wird dann zur Identifizierung verschränkter Paare verwendet, wodurch ein Bild rekonstruiert werden kann. Dieser Ansatz ermöglicht nicht nur die Bildgebung bei extrem niedrigen Lichtverhältnissen, sondern bedeutet auch, dass die abgebildeten Objekte nicht mit den für die Bildgebung verwendeten Photonen interagieren müssen.

Frühere Aufbauten für die Quantengeistbildgebung waren nicht für die 3D-Bildgebung geeignet, da sie auf ICCD-Kameras (Intensified Charge Coupled Device) beruhten. Obwohl diese Kameras eine gute räumliche Auflösung haben, sind sie zeitgesteuert und ermöglichen keine unabhängige zeitliche Erfassung einzelner Photonen.

Um dieses Problem zu lösen, entwickelten die Forscher einen Aufbau, der auf neuen SPAD-Arrays (Single Photon Avalanche Diode) basiert, die für LiDAR und medizinische Bildgebung entwickelt wurden. Diese Detektoren verfügen über mehrere unabhängige Pixel mit speziellen Zeitschaltkreisen, die es ihnen ermöglichen, die Erkennungszeit jedes Pixels mit einer Auflösung von Pikosekunden aufzuzeichnen.

Der neue Ansatz nutzt zwei verschränkte Photonen – ein Signal und ein Idler –, um 3D-Bilder mit Einzelphotonenbeleuchtung zu erhalten. Dabei werden die inaktiven Photonen auf das Objekt gerichtet und anschließend die zurückgestreuten Photonen rechtzeitig erfasst. In der Zwischenzeit werden die Signalphotonen zu einer speziellen Kamera geleitet, die zeitlich und räumlich so viele Photonen wie möglich erfasst.

Anschließend verglichen die Forscher die Erkennungszeit jedes Pixels mit der Erkennung des Einzelpixeldetektors, um die Verschränkung zu rekonstruieren. Dadurch konnten sie auch die Flugzeit der interagierenden Idlerphotonen und damit die Tiefe des Objekts bestimmen.

Ein anpassungsfähiges Setup

Eine weitere wichtige Innovation war die periodische Polung des KTP-Kristalls, der zur Erzeugung der verschränkten Photonen verwendet wurde. „Dies ermöglicht eine hocheffiziente Quasi-Phasenanpassung für nahezu jedes Triplett aus Pump-Signal-Idler und ermöglicht uns die freie Wahl der Wellenlängen für Beleuchtung und Bildgebung“, sagte Pitsch. „Dadurch können wir den Aufbau auch an viele andere Anwendungen oder Wellenlängen anpassen.“

Die Forscher demonstrierten die 3D-Fähigkeiten ihres asynchronen Erkennungsschemas anhand zweier unterschiedlicher separater Aufbauten. Eines, das einem Michelson-Interferometer ähnelte, erfasste Bilder mit zwei räumlich getrennten Armen. Mit diesem Aufbau konnten die Forscher die SPAD-Leistung analysieren und die Koinzidenzerkennung verbessern. Der andere Aufbau verwendete Freiraumoptik und war stärker anwendungsorientiert. Anstatt mit zwei getrennten Armen abzubilden, wurden zwei Objekte im selben Arm abgebildet.

Obwohl noch mehr Arbeit erforderlich ist, funktionierten beide Aufbauten gut als Proof-of-Concept-Demonstration für die neue Technik. Die Experimente zeigten auch, dass die asynchrone Detektion zur Ferndetektion genutzt werden könnte, was für atmosphärische Messungen nützlich sein könnte.

Die Forscher arbeiten nun mit einem SPAD-Hersteller zusammen, um die räumliche Auflösung und den Arbeitszyklus – den Prozentsatz der Zeit, in der der Detektor eingeschaltet ist – für die SPAD-Kameras zu erhöhen. Sie planen außerdem, den fasergekoppelten Idler-Detektor durch einen schnelleren freiraumgekoppelten Detektor zu ersetzen, der seit kurzem verfügbar ist. Schließlich planen sie, den Aufbau auf die hyperspektrale Bildgebung anzuwenden, mit der Bildgebung im wichtigen mittleren Infrarotspektrum durchgeführt werden könnte, ohne dass Detektoren erforderlich sind, die bei diesen Wellenlängen arbeiten.