Схема НИКПР. Два коррелированных луча, обозначенные сигнальным (s) и холостым (i), генерируются спонтанным параметрическим преобразованием с понижением частоты (SPDC), накачиваемым непрерывным лазером с длиной волны 405 нм, и распространяются через систему формирования изображения, состоящую из двух линз (L ₁ — линза дальнего поля) с фокусным расстоянием F = 1 см и L ₂ — отображающая линза с фокусным расстоянием 3 см) и тест-объект. Интерференционный фильтр (IF) используется для выбора полосы пропускания 40 нм вокруг вырожденной длины волны (@810 нм) и для блокировки накачки. L ₂ изображает плоскость дальнего поля на чипе камеры с коэффициентом увеличения около 8. Объект находится вблизи дальнего поля источника, и с ним взаимодействует только зондирующий луч. Информацию о фазе можно получить из измерений интенсивности, сделанных в некоторых плоскостях вне фокуса (±dz).
Авторы и права: Свет: наука и приложения (2023 г.). DOI: 10.1038/s41377-023-01215-1

Извлечение и визуализация оптической фазы появляются в самых разных областях науки, таких как визуализация квазипрозрачных биологических образцов или метрологическая характеристика наноструктур, например, в полупроводниковой промышленности. На фундаментальном уровне предел точности изображения в классических системах связан с внутренней флуктуацией освещающего света, поскольку образующие его фотоны излучаются случайным образом обычными источниками и ведут себя независимо друг от друга.

Квантовая корреляция в световых пучках, в которой фотоны проявляют определенную кооперацию, может выйти за эти пределы. Хотя квантовое преимущество, получаемое при оценке фазы за счет интерференции первого порядка, хорошо известно, интерферометрические схемы не подходят для многопараметрической широкоугольной визуализации, требующей растрового сканирования для расширенных выборок.

В новой статье, опубликованной в журнале Light Science & Application, группа ученых из группы квантовой оптики Итальянского национального института метрологии (INRiM), Италия, и исследовательской группы оптики отдела физики изображений факультета прикладных наук Делфтского университета of Technology, Нидерланды, разработала технологию, использующую квантовые корреляции для улучшения визуализации фазовых профилей неинтерферометрическим способом.

Предложенная схема может быть непосредственно применена к установкам просвечивающей микроскопии с широким полем для получения фазового восстановления полного поля в режиме реального времени, и она по своей природе более стабильна, чем интерферометрическая установка. Повышение чувствительности позволяет получить больше информации об образцах, чем это обычно допускается при фиксированной фотонной экспозиции или при фиксированном времени измерения.

Двумя основными компонентами, используемыми учеными, являются так называемое «уравнение переноса интенсивности» (TIE) для восстановления фазы, хорошо изученный алгоритм в классической области для получения информации о фазе из прямых измерений интенсивности; и пара запутанных световых лучей. Квантовые корреляции между двумя лучами настолько сильны, что они идентичны на однофотонном уровне. Исследователи использовали эту корреляцию для уменьшения внутренних шумовых колебаний зондирующего света, получения более четкого изображения и более точной оценки фазы.

«Квантовые ресурсы, такие как запутывание и сжатие, оказались полезными для улучшения различных приложений зондирования, таких как визуализация, интерферометрическая оценка фазы, обнаружение целей и ранжирование среди других. Наше предложение вносит еще один вклад в эту широкую панораму, показывая, что очень хорошо исследуемая классическая схема поиска фазы TIE может быть значительно улучшена за счет использования квантовых корреляций, которые в настоящее время обычно доступны в лабораториях, демонстрируя потенциал для относительно краткосрочных приложений", - отметили ученые.