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„Mid-infrared frequency-domain optical coherence tomography with undetected photons“

Aron Vanselow studierte am Institut für Physik der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der Humboldt-Universität. Für seine Masterarbeit wurde er mit dem Humboldt-Preis 2020 ausgezeichnet.

Zusammenfassung

Die Arbeit an dieser Masterarbeit wurde von zwei Idealen der Brüder Humboldt angetrieben.

Einerseits die Neugier: Was sind die dem Verhalten von Licht zugrundeliegenden physikalischen Gesetze? Bei hinreichend detaillierter Untersuchung wird zwangsläufig eine quantenphysikalische Beschreibung nötig. Welcher Nutzen lässt sich aus den dabei auftretenden, teils überraschenden Phänomenen ziehen?

Andererseits der Wunsch, wissenschaftliche Errungenschaften nicht einzeln, sondern im Zusammenspiel zu betrachten: Wie lassen sich quantenphysikalische Erkenntnisse mit klassischer Optik und Medizin verbinden, um neue Möglichkeiten zu erlangen?

Optische Kohärenztomographie (OCT) ermöglicht die Aufnahme von dreidimensionalen Bildern einer Probe, wobei auch unter der Oberfläche liegende Strukturen abgebildet werden. OCT findet breite Anwendung in der Medizin, insbesondere in der Augenheilkunde.

Auch jenseits der Medizin gibt es viele potentielle Anwendungsgebiete von OCT, insbesondere im Nondestructive Testing (NDT). Hierbei treten aber Schwierigkeiten auf: In vielen für NDT relevanten Materialien wie Keramik, Plastik und Farbe wird das in der Medizin verwendete nah-infrarote Licht stark gestreut, sodass es nicht in die Probe eindringen kann. Einen Ausweg bietet die Verwendung von mittel-infrarotem Licht. Dieses ist aber nur sehr schwer mit herkömmlichen Methoden zu detektieren.

Eine Lösung für dieses Problem basiert auf Quanteninterferenz: In einem nichtlinearen Kristall werden von einem Laserstrahl (genannt Pumpe) Paare von Lichtteilchen (Photonen) erzeugt. Eines dieser Photonen ist im nahen Infrarot (genannt Signal), das andere im mittleren Infrarot (genannt Idler). Nachdem sie den Kristall verlassen, interagiert nur der Idler mit einer Probe.

Anschließend werden Pumpe, Signal und Idler zurück in den Kristall geleitet. In diesem werden wieder Photonenpaare erzeugt, die von den beim ersten Durchgang durch den Kristall erzeugten Paaren nicht unterscheidbar sind. Dadurch interferieren diese Photonenpaare als ganze quantenphysikalisch miteinander. Ob diese Interferenz konstruktiv oder destruktiv ist, hängt davon ab, wo in der Probe der Idler reflektiert wurde.

Da Signal und Idler hinsichtlich ihrer Energie verschränkt sind, kann diese Tiefeninformation durch die Interferenz vom Idler auf das Signal übertragen werden, welches mit einem Spektrometer detektiert wird. Detektiert werden also die leicht zu detektierenden nah-infraroten Signal-Photonen, die aber nie mit der Probe interagieren. Dies führt dazu, dass bei ähnlichem Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR) wie bei klassischen OCT-Versuchen im mittleren Infrarot viel weniger Licht in Kontakt mit der Probe kommt, was diese vor Schäden schützt. Während vorhergehende Arbeiten Proofs of Principle waren, wurde im Rahmen dieser Arbeit zum ersten Mal OCT mit undetektierten Photonen im Frequenzraum durchgeführt, was zu erheblichen Vorteilen in Bezug auf SNR, Geschwindigkeit und Stabilität führt. Zur Erhöhung der Tiefenauflösung um einen Faktor 10 wurde zudem eine, auch im Rahmen der Masterarbeit entwickelte, Methode zur Erzeugung sehr breitbandigen Lichts in nichtlinearen Kristallen angewandt [1]. Diese Fortschritte ermöglichten zum ersten Mal Messungen von realistischen Proben mit dieser Methode [2].

 

[1] A. Vanselow, P . Kaufmann, H. M. Chrzanowski und S. Ramelow, „ Ultra-broadband SPDC for spectrally far separated photon pairs“, Optics Letters 44, 4638–4641 (2019).

[2] A. Vanselow, P. Kaufmann, I. Zorin, B. Heise, H. Chrzanowski und S. Ramelow, „Frequency - domain optical coherence tomography with undetected mid - infrared photons“ (2020). Preprint verfügbar unter https://arxiv.org/abs/2006.0740