Internationale Forscher haben eine bahnbrechende Phasenbildgebungsmethode entwickelt, die resistent gegen Phasenrauschen und effektiv bei schwachem Licht ist. Diese Technik, detailliert in Wissenschaftliche Fortschritte, verbessert die Bildgebungsfähigkeiten in Bereichen von der medizinischen Forschung bis zur Kunstkonservierung. (Konzept des Künstlers.) Bildnachweis: SciTechDaily.com
Innovative quanteninspirierte Bildgebungstechnik zeichnet sich bei schlechten Lichtverhältnissen aus und bietet neue Perspektiven in der medizinischen Bildgebung und Kunstkonservierung.
Forscher der Fakultät für Physik der Universität Warschau haben zusammen mit Kollegen der Stanford University und der Oklahoma State University eine quanteninspirierte Phasenbildgebungsmethode eingeführt, die auf Lichtintensitätskorrelationsmessungen basiert und robust gegenüber Phasenrauschen ist. Die neue Bildgebungsmethode kann auch bei extrem schwacher Beleuchtung betrieben werden und kann sich in neuen Anwendungen wie der interferometrischen Infrarot- und Röntgenbildgebung sowie der Quanten- und Materiewelleninterferometrie als nützlich erweisen.
Revolutionierende Bildgebungstechniken
Egal, ob Sie mit Ihrem Smartphone Fotos von einer Katze machen oder Zellkulturen mit einem fortschrittlichen Mikroskop abbilden, Sie tun dies, indem Sie die Intensität (Helligkeit) des Lichts Pixel für Pixel messen. Licht wird nicht nur durch seine Intensität, sondern auch durch seine Phase charakterisiert. Interessanterweise können transparente Objekte sichtbar werden, wenn man die Phasenverzögerung des von ihnen eingebrachten Lichts messen kann.
Die Phasenkontrastmikroskopie, für die Frits Zernike 1953 den Nobelpreis erhielt, führte zu einer Revolution in der biomedizinischen Bildgebung, da sie die Möglichkeit bot, hochauflösende Bilder verschiedener transparenter und optisch dünner Proben zu erhalten. Das aus Zernikes Entdeckung hervorgegangene Forschungsgebiet umfasst moderne bildgebende Verfahren wie die digitale Holographie und die quantitative Phasenbildgebung.
„Es ermöglicht die markierungsfreie und quantitative Charakterisierung lebender Proben wie Zellkulturen und kann in der Neurobiologie oder Krebsforschung Anwendung finden“, erklärt Dr. Radek Lapkiewicz, Leiter des Quantum Imaging Laboratory an der Fakultät für Physik der Universität Warschau.
Rauschresistente Phasenbildgebung mit Intensitätskorrelation, Quelle: Fakultät für Physik, Universität Warschau
Herausforderungen und Innovationen in der Phasenbildgebung
Allerdings gibt es noch Raum für Verbesserungen. „Zum Beispiel funktioniert die Interferometrie, eine Standardmessmethode zur präzisen Dickenmessung an jedem Punkt des untersuchten Objekts, nur, wenn das System stabil ist und keinen Erschütterungen oder Störungen ausgesetzt ist. Es ist eine große Herausforderung, einen solchen Test beispielsweise in einem fahrenden Auto oder auf einem schüttelnden Tisch durchzuführen“, erklärt Jerzy Szuniewcz, Doktorand an der Fakultät für Physik der Universität Warschau.
Forscher der Fakultät für Physik der Universität Warschau beschlossen zusammen mit Kollegen der Stanford University und der Oklahoma State University, dieses Problem anzugehen und eine neue Methode der Phasenbildgebung zu entwickeln, die immun gegen Phaseninstabilität ist. Die Ergebnisse ihrer Forschung wurden in der renommierten Fachzeitschrift veröffentlicht Wissenschaftliche Fortschritte.
Zurück zur alten Schule
Wie kamen die Forscher auf die Idee für die neue Technik? Bereits in den 60er Jahren zeigten Leonard Mandel und seine Gruppe, dass Korrelationen das Vorhandensein von Interferenzen offenbaren können, auch wenn ihre Intensität nicht erkennbar ist.
„Inspiriert durch die klassischen Experimente von Mandel wollten wir untersuchen, wie Intensitätskorrelationsmessungen für die Phasenbildgebung genutzt werden können“, erklärt Dr. Lapkiewicz. Bei einer Korrelationsmessung betrachten wir Pixelpaare und beobachten, ob diese gleichzeitig heller oder dunkler werden.
„Wir haben gezeigt, dass solche Messungen zusätzliche Informationen enthalten, die mit einem einzelnen Foto, nämlich der Intensitätsmessung, nicht gewonnen werden können.“ Anhand dieser Tatsache haben wir gezeigt, dass in der auf Interferenz basierenden Phasenmikroskopie Beobachtungen auch dann möglich sind, wenn Standardinterferogramme im Durchschnitt alle Phaseninformationen verlieren und keine Streifen in der Intensität aufgezeichnet werden.
„Bei einem Standardansatz würde man annehmen, dass ein solches Bild keine nützlichen Informationen enthält. Es stellt sich jedoch heraus, dass die Informationen in den Korrelationen verborgen sind und durch die Analyse mehrerer unabhängiger Fotos eines Objekts wiederhergestellt werden können, sodass wir perfekte Interferogramme erhalten, auch wenn die gewöhnliche Interferenz aufgrund des Rauschens nicht erkennbar ist“, fügt Lapkiewicz hinzu.
„In unserem Experiment wird das Licht, das ein Phasenobjekt (unser Ziel, das wir untersuchen wollen) durchdringt, mit einem Referenzlicht überlagert. Zwischen den Objekt- und Referenzlichtstrahlen wird eine zufällige Phasenverzögerung eingeführt – diese Phasenverzögerung simuliert eine Störung, die die Standardmethoden der Phasenbildgebung behindert.
„Folglich ist bei der Intensitätsmessung keine Interferenz zu beobachten, das heißt, aus Intensitätsmessungen lassen sich keine Informationen über das Phasenobjekt gewinnen.“ Die ortsabhängige Intensitäts-Intensitätskorrelation zeigt jedoch ein Streifenmuster, das die vollständige Information über das Phasenobjekt enthält.
„Diese Intensitäts-Intensitäts-Korrelation wird nicht durch zeitliches Phasenrauschen beeinflusst, das langsamer als die Geschwindigkeit des Detektors variiert (~10 Nanosekunden im durchgeführten Experiment) und kann durch die Erfassung von Daten über einen beliebig langen Zeitraum gemessen werden – was bahnbrechend ist.“ – Eine längere Messung bedeutet mehr Photonen, was höhere Werte bedeutet Genauigkeit“, erklärt Jerzy Szuniewicz, der Erstautor des Werks.
Einfach ausgedrückt: Wenn wir ein einzelnes Filmbild aufnehmen würden, würde uns dieses einzelne Bild keine nützlichen Informationen darüber geben, wie das untersuchte Objekt aussieht. „Daher haben wir zunächst eine ganze Reihe solcher Bilder mit einer Kamera aufgenommen und dann die Messwerte an jedem Punktpaar jedes Bildes multipliziert. Wir haben diese Korrelationen gemittelt und ein vollständiges Bild unseres Objekts aufgenommen“, erklärt Jerzy Szuniewicz.
„Es gibt viele Möglichkeiten, das Phasenprofil eines beobachteten Objekts aus einer Bildsequenz wiederherzustellen. Wir haben jedoch bewiesen, dass unsere auf Intensitäts-Intensitätskorrelation und einer sogenannten Off-Axis-Holographie-Technik basierende Methode eine optimale Rekonstruktionsgenauigkeit liefert“, sagt Stanislaw Kurdzialek, der zweite Autor der Arbeit.
Eine gute Idee für dunkle Umgebungen
Ein auf Intensitätskorrelation basierender Phasenbildgebungsansatz kann in sehr lauten Umgebungen häufig eingesetzt werden. Die neue Methode funktioniert sowohl mit klassischem (Laser und thermischem) als auch mit Quantenlicht. Es kann auch in der implementiert werden Photon Zählregime, zum Beispiel mit Einzelphotonen-Lawinendioden. „Wir können es in Fällen verwenden, in denen wenig Licht zur Verfügung steht oder wenn wir keine hohe Lichtintensität verwenden können, um das Objekt, beispielsweise eine empfindliche biologische Probe oder ein Kunstwerk, nicht zu beschädigen“, erklärt Jerzy Szuniewicz.
„Unsere Technik wird die Perspektiven für Phasenmessungen erweitern, einschließlich neuer Anwendungen wie der Infrarot- und Röntgenbildgebung sowie der Quanten- und Materiewelleninterferometrie“, schließt Dr. Lapkiewicz.
Referenz: „Rauschresistente Phasenbildgebung mit Intensitätskorrelation“ von Jerzy Szuniewicz, Stanislaw Kurdzialek, Sanjukta Kundu, Wojciech Zwolinski, Radoslaw Chrapkiewicz, Mayukh Lahiri und Radek Lapkiewicz, 22. September 2023, Wissenschaftliche Fortschritte.
DOI: 10.1126/sciadv.adh5396
Diese Arbeit wurde von der Stiftung für polnische Wissenschaft im Rahmen des FIRST TEAM-Projekts „Spatiotemporal Photon Correlation Measurements for Quantum Metrology and Super-Resolution Microscopy“ unterstützt, das von der Europäischen Union im Rahmen des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (POIR.04.04.00-00) kofinanziert wurde -3004/17-00). Jerzy Szuniewicz dankt auch dem Nationalen Wissenschaftszentrum Polen für seine Unterstützung, Fördernummer 2022/45/N/ST2/04249. S. Kurdzialek dankt für die Unterstützung durch das Stipendium Nr. 2020/37/B/ST2/02134 des Nationalen Wissenschaftszentrums (Polen). M.ahiri. dankt dem US Office of Naval Research für seine Unterstützung unter der Auszeichnungsnummer N00014-23-1-2778.