Quantenverstärkte nichtinterferometrische quantitative Phasenbildgebung

Optische Phasenabfrage und Bildgebung kommen in einer Vielzahl von Wissenschaftsbereichen vor, beispielsweise bei der Bildgebung quasitransparenter biologischer Proben oder der messtechnischen Charakterisierung von Nanostrukturen, beispielsweise in der Halbleiterindustrie. Grundsätzlich liegt die Grenze der Abbildungsgenauigkeit in klassischen Systemen in der intrinsischen Fluktuation des Beleuchtungslichts, da die Photonen, aus denen es besteht, zufällig von herkömmlichen Quellen emittiert werden und sich unabhängig voneinander verhalten.

Die Quantenkorrelation in Lichtstrahlen, bei der Photonen eine gewisse Zusammenarbeit zeigen, kann diese Grenzen überschreiten. Obwohl der Quantenvorteil, der bei der Phasenschätzung durch Interferenz erster Ordnung erzielt wird, gut bekannt ist, eignen sich interferometrische Verfahren nicht für die Multiparameter-Weitfeldbildgebung, da für ausgedehnte Proben ein Rasterscan erforderlich ist.

In einem neuen Artikel veröffentlicht in Lichtwissenschaft und Anwendungein Team von Wissenschaftlern der Quantum Optics Group des italienischen Nationalen Metrologieinstituts (INRiM), Italien, und der Imaging Physics Dept. Optics Research Group, Fakultät für Angewandte Wissenschaften der Technischen Universität Delft, Niederlande, hat eine Technologie entwickelt Nutzung von Quantenkorrelationen zur Verbesserung der Abbildung von Phasenprofilen auf nichtinterferometrische Weise.

Das vorgeschlagene Schema kann direkt auf Weitfeld-Transmissionsmikroskopie-Einstellungen angewendet werden, um eine Vollfeld-Phasenwiederherstellung in Echtzeit zu erhalten, und es ist von Natur aus stabiler als ein interferometrischer Aufbau. Die Empfindlichkeitssteigerung hat das Potenzial, mehr Informationen aus Proben abzurufen, als dies klassischerweise bei einer festen Photonenexposition oder gleichwertig bei einer festen Messzeit möglich wäre.

Die beiden Hauptzutaten, die die Wissenschaftler verwenden, sind das sogenannte „Transport of Intensity Equation“ (TIE)-Phasen-Retrieval, ein gut erforschter Algorithmus im klassischen Bereich, um Phaseninformationen aus direkten Intensitätsmessungen abzurufen; und ein Paar verschränkter Lichtstrahlen. Die Quantenkorrelationen zwischen den beiden Strahlen sind so stark, dass sie auf der Einzelphotonenebene identisch sind. Die Forscher nutzten diese Korrelation, um die intrinsischen Rauschschwankungen des Prüflichts zu reduzieren und so ein schärferes Bild und eine genauere Phasenschätzung zu erhalten.

„Quantenressourcen wie Verschränkung und Quetschung haben sich als nützlich erwiesen, um eine Vielzahl von Sensoranwendungen wie Bildgebung, interferometrische Phasenschätzung, Zielerkennung und Entfernungsmessung zu verbessern. Unser Vorschlag leistet einen weiteren Beitrag zu diesem breiten Panorama, indem er zeigt, dass dies sehr gut ist „Das untersuchte klassische TIE-Phase-Retrieval-Schema kann durch die Verwendung von Quantenkorrelationen, die heutzutage routinemäßig in Laboratorien verfügbar sind, erheblich verbessert werden, was Potenzial für relativ kurzfristige Anwendungen zeigt“, bemerkten die Wissenschaftler.