Proof-of-Concept-Studie demonstriert rechnergestütztes Temporal Ghost Imaging im mittleren Infrarot

Ghost Imaging im Zeitbereich ermöglicht die Rekonstruktion schneller zeitlicher Objekte mithilfe eines langsamen Fotodetektors. Bei dieser Technik werden zufällige oder vorprogrammierte zeitliche Intensitätsmuster mit dem integrierten Signal korreliert, das nach der Modulation durch das zeitliche Objekt gemessen wird. Die Implementierung von zeitlichem Ghost Imaging erfordert jedoch ultraschnelle Detektoren oder Modulatoren zum Messen oder Vorprogrammieren der Intensitätsmuster, die nicht in allen Spektralbereichen, insbesondere nicht im mittleren Infrarotbereich, verfügbar sind.

In einem neuen Papier veröffentlicht In Licht: Wissenschaft und Anwendungein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Prof. Houkun Liang von der Sichuan University, China, und Prof. Goëry Genty von der Tampere University, Finnland, und Kollegen haben ein Frequenz-Downconversion-Temporal-Ghost-Imaging-Verfahren (TGI) entwickelt, das eine Ausweitung des Betriebsregimes auf beliebige Wellenlängenbereiche ermöglicht, in denen schnelle Modulatoren und Detektoren nicht verfügbar sind. Der Ansatz moduliert ein Signal mit zeitlichen Intensitätsmustern im Nahinfrarot und überträgt die Muster über die Differenzfrequenzerzeugung in einem nichtlinearen Kristall bei einer Wellenlänge, bei der das zeitliche Objekt abgerufen werden kann, auf einen Idler.

Als Machbarkeitsnachweis demonstrierten die Wissenschaftler eine rechnergestützte zeitliche Geisterbildgebung im mittleren Infrarotbereich mit einer Betriebswellenlänge, die von 3,2 bis 4,3 μm eingestellt werden kann. Das Schema ist flexibel und kann auf andere Bereiche erweitert werden. Die Ergebnisse eröffnen neue Möglichkeiten für die scanfreie Pump-Probe-Bildgebung und die Untersuchung ultraschneller Dynamiken in Spektralbereichen, in denen ultraschnelle Modulation oder Detektion eine Herausforderung darstellt, wie etwa im mittleren Infrarot- und THz-Bereich.

Diese Wissenschaftler fassen das Funktionsprinzip der zeitlichen Geisterbildgebung im mittleren Infrarotbereich wie folgt zusammen: „Das Fehlen geeigneter Instrumente, wie etwa ultraschneller elektrooptischer Modulatoren im mittleren Infrarotbereich zum Vorprogrammieren zeitlicher Muster bei Lichtquellen im mittleren Infrarotbereich, war ein Engpass bei der direkten Implementierung der rechnergestützten TGI im mittleren Infrarotbereich. In dem vorgeschlagenen neuen Schema modulieren wir, anstatt zeitliche Muster bei Wellenlängen im mittleren Infrarotbereich direkt vorzuprogrammieren, vorprogrammierte zeitliche Muster bei Wellenlängen im nahen Infrarotbereich mithilfe eines herkömmlichen Telekommunikationsmodulators und übertragen diese modulierten Muster anschließend über die Differenzfrequenzerzeugung mithilfe einer zeitlich stabilen kontinuierlichen Pumplichtquelle im nahen Infrarotbereich auf einen Idler im mittleren Infrarotbereich.

„Die breite Verfügbarkeit von abstimmbaren Lasern im Nahinfrarotbereich ermöglicht einen flexiblen und vielseitigen Betrieb des Downconversion-TGI-Schemas und ermöglicht die Ausweitung von TGI auf Wellenlängenbereiche, in denen schnelle Detektoren und Modulatoren fehlen. Mit diesem Ansatz haben wir experimentell rechnerische TGI im Wellenlängenbereich von 3,2 bis 4,3 μm demonstriert. Darüber hinaus können orthogonale zeitliche Muster bei rechnerischer Downconversion-TGI verwendet werden, um die Anzahl der unterschiedlichen Sondierungsmessungen zu verringern.

„Die vorgestellte Technik kann neue Möglichkeiten für die Untersuchung ultraschneller Dynamiken im mittleren Infrarot-Spektralbereich und für optische Hochgeschwindigkeits-Freiraumkommunikation in atmosphärischen Übertragungsfenstern selbst bei atmosphärischer Turbulenz bieten. Wir betonen, dass das Konzept der Frequenz-Downconversion-Ghost-Bildgebung allgemein ist und auch im räumlichen und spektralen Bereich angewendet werden kann, was einen neuen Ansatz für Einzelpixel-Bildgebung und Spektroskopie im mittleren Infrarot- und THz-Bereich eröffnen könnte.“