應用探究|超越鬼成像（二）：基于PPLN單晶體折返“無探測”量子成像

應用探究|超越鬼成像（二）：基于ppln單晶體折返“無探測"量子成像

在上篇文章《應用探究|量子成像技術探秘（一）：基于PPKTP晶體的未探測光子成像QIUP技術》中，我們分享了傳統QIUP技術。而在此基礎上，一種基于單非線性晶體的折返光路設計也逐漸流行。來自倫敦帝國理工學院物理系的布萊克特實驗室分享了一種基于單塊PPLN晶體的緊湊型、低成本化的QIUP。

在本文中，來自英國Covesion公司的10mm長PPLN晶體（MOPO515-0.5）作為波長轉換的關鍵。泵浦光（532nm）首先 進入PPLN晶體，發生第1次非簡并SPDC，產生了糾纏的信號光子（例如808nm）以及閑頻光子（例如1559nm）。在DM2處，閑頻光與信號/泵浦光被分離，閑頻光前往樣品鏡（Sample mirror）和物體交互，而信號光和殘余的泵浦光則前往掃描鏡（Scanning mirror）。兩路光隨后各自反射回再次通過DM2回到PPLN晶體，折返回來的殘余泵浦光有概率發生第2次SPDC，再次產生光子對。由于光路被精確對準重疊，兩次SPDC的信號光子和閑頻光子各自重疊在一起，無法確定光子對來自哪次通過，這種路徑不可區分性，使得干涉條紋得以出現。而當物品被放置在第1次閑頻光的光路中時，原先閑頻光的振幅或者相位發生變化，路徑變得可區分，兩次閑頻光之間的干涉條件被破壞。這種變化會通過量子糾纏傳遞給信號光子，信號光子的干涉條紋同樣也會消失或發生變化。通過掃描鏡微調光程差，調整干涉條紋，并用低成本、普通的硅基cmos相機即可記錄不同掃描位置下的信號光強圖像，經過進一步處理后即可重建樣品的紅外圖像，免去了使用昂貴且靈敏的scmos或emccd。

讓我們暫時脫離這“彎彎繞繞"的光路，其實這套光路的秘訣在于通過兩個反射鏡“走回頭路"。在我們上一篇介紹傳統QIUP的文章中，通過兩個非線性晶體PPKTP分別進行兩次SPDC后，發生量子干涉。光子一旦產生，就一路向前，zui終到達探測器。而在本文中，通過兩個反射鏡，讓泵浦光兩次通過同一個PPLN晶體，從而實現了兩條路徑的模式重疊和干涉，節約了光學元件的數量，并大幅縮小了系統體積；對振動、溫度波動等干擾的魯棒性非常強。

文中特別提到，這套系統可以在實驗室外的環境中進行使用，在本地運輸后也無需重新對準。并且在“走回頭路“的過程中，反射鏡（特別是掃描鏡）引入可控的相位變化，從而影響了zui終的干涉條紋，同時獲取幅值和相位信息，比傳統QIUP的成像更為豐富。

由于Covesion的PPLN晶體包含多個極化周期，可以通過橫向平移PPLN晶體，令泵浦光到達具有不同極化周期的區域，憑借溫度調諧可以擴展波長的覆蓋范圍，產生706-839 nm的信號光子和1455-2159 nm的閑頻光子。這種可調諧特性使得系統能夠適配不同的應用場景，例如，為探測不同物質有的紅外特征吸收峰提供了潛在可能。

在上圖中，僅通過移動PPLN晶體（不主動控溫）就在室溫下實現了三個波長的金微電極樣品成像。a) 探測波長1450nm，檢測波長840nm。(b) 探測波長1620nm，檢測波長792nm。(c) 探測波長1783nm，檢測波長758nm。而其中的 visibility/Contrast對應的正是我們上一篇文章中提及的強度成像，直接反應了物體不同部分對探測光的吸收程度。Contrast是在Visibility的基礎上優化了計算方式，在較高背景噪聲下，也能真實反映樣品的吸收/散射分布。Phase則對應的是相位成像，反應了物體引起的折射率/厚度變化，可以展現強度成像無法獲取的弱吸收/透明樣品的信息。因此這種快速分析方法僅需3張圖像即可實時定量獲取樣品的透射率和相位變化信息。

在這個QIUP配置中，通過單個PPLN即實現了未探測光子的量子成像，免去了昂貴的紅外探測器即可實現紅外成像，抑制了熱背景噪聲。并且本研究還繼續將QIUP從實驗室原型向便攜式設備進行發展，下圖展示的即是同課題組設計的第二代系統。

展望未來，作者提到還有多種方法可以將工作波長擴展至中紅外區域，包括使用不同的泵浦波長、不同的極化周期，以及不同的非線性材料。隨著向中紅外推進，預計該系統將在化學和醫學相關應用中成為一個有價值的工具。Covesion的PPLN晶體同樣是一個很好的選擇，晶體支持460 nm – 5100 nm的波長轉換，覆蓋整個近紅外和中紅外區域。憑借高非線性系數，實現高效率轉換！

英國Covesion有限公司是一家擁有超過20年經驗的公司，提供300nm~5000nm全波段波長轉換產品解決方案，專注于高效 MgO:PPLN / PPKTP 晶體與波導的研究、開發和制造。此外，Covesion還提供定制晶體服務，包括整個周期結構設計、掩膜設計、晶體極化、切塊、拋光和鍍膜增透，以滿足特定波長轉換需求。

上海昊量光電設備有限公司作為英國Covesion在中國地區的獨代,負責其所有產品在國內的銷售、服務，以及售后技術支持等。

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參考文獻

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Lemos, Gabriela Barreto. “quantum imaging with Undetected Photons." SlideServe, 27 OCT. 2015.

Pearce, Emma, et al. "Practical quantum imaging with undetected photons." Optics Continuum 2.11 (2023): 2386-2397.