Los investigadores han demostrado que los fotones entrelazados se pueden utilizar para mejorar la profundidad de penetración de la tomografía de coherencia óptica (OCT) en materiales de alta dispersión. El método representa una forma de realizar OCT con longitudes de onda de infrarrojo medio y podría ser útil para pruebas y análisis no destructivos de materiales como muestras de cerámica y pintura.

La OCT es un método de obtención de imágenes no destructivo que proporciona imágenes tridimensionales detalladas de las estructuras del subsuelo. La OCT se realiza normalmente utilizando longitudes de onda visibles o del infrarrojo cercano porque las fuentes de luz y los detectores para estas longitudes de onda están fácilmente disponibles. Sin embargo, estas longitudes de onda no penetran muy profundamente en materiales muy dispersos o muy porosos.

En Optica , La revista de la Optical Society (OSA) para investigaciones de alto impacto, Aron Vanselow y colegas de Humboldt-Universität zu Berlin en Alemania, junto con colaboradores en el Centro de Investigación para Ensayos No Destructivos GmbH en Austria, demostrar un experimento de prueba de concepto para OCT de infrarrojo medio basado en pares de fotones entrelazados de banda ultra ancha. Demuestran que este enfoque puede producir imágenes 2-D y 3-D de alta calidad de muestras de alta dispersión utilizando un formato relativamente compacto, configuración óptica sencilla.

"Nuestro método elimina la necesidad de detectores o fuentes de infrarrojos medios de banda ancha, lo que ha dificultado el desarrollo de sistemas OCT prácticos que funcionen en estas longitudes de onda, ", dijo Vanselow." Representa una de las primeras aplicaciones del mundo real en las que los fotones entrelazados son competitivos con la tecnología convencional ".

La técnica podría ser útil para muchas aplicaciones, incluido el análisis de las complejas capas de pintura utilizadas en aviones y automóviles o el seguimiento de los recubrimientos utilizados en productos farmacéuticos. También puede proporcionar imágenes tridimensionales detalladas que serían útiles para la conservación del arte.

Aprovechando la mecánica cuántica

Cuando los fotones se entrelazan, se comportan como si pudieran afectarse instantáneamente entre sí. Este fenómeno de la mecánica cuántica es esencial para muchas aplicaciones de tecnología cuántica en desarrollo, como la detección cuántica, comunicaciones cuánticas o computación cuántica.

Para esta técnica, los investigadores desarrollaron y patentaron un cristal no lineal que crea pares de fotones de banda ancha con longitudes de onda muy diferentes. Uno de los fotones tiene una longitud de onda que se puede detectar fácilmente con un equipo estándar, mientras que el otro fotón está en el rango del infrarrojo medio. lo que dificulta su detección. Cuando los fotones difíciles de detectar iluminan una muestra, cambian la señal de una manera que puede medirse utilizando solo los fotones fáciles de detectar.

"Nuestra técnica facilita la adquisición de medidas útiles en lo que es un rango de longitud de onda tradicionalmente difícil de manejar debido a los desafíos tecnológicos, "dijo Sven Ramelow, quien concibió y guió la investigación. "Es más, los láseres y la óptica que usamos no son complejos y también son más compactos, robustos y rentables que los que se utilizan en los sistemas OCT de infrarrojo medio actuales ".

Imágenes con menos luz

Para demostrar la técnica, los investigadores primero confirmaron que el rendimiento de su configuración óptica coincidía con las predicciones teóricas. Descubrieron que podían usar seis órdenes de magnitud menos de luz para lograr la misma relación señal / ruido que los pocos sistemas OCT de infrarrojo medio convencionales que se han desarrollado recientemente.

“Nos sorprendió positivamente que no viéramos ningún ruido en las mediciones más allá del ruido cuántico intrínseco de la propia luz, ", dijo Ramelow. Esto también explica por qué podemos lograr una buena relación señal-ruido con tan poca luz".

Los investigadores probaron su configuración en una variedad de muestras del mundo real, incluidas muestras de pintura muy dispersas. También analizaron dos pilas de cerámica de alúmina de 900 micrones de espesor que contenían microcanales fresados ​​con láser. La iluminación del infrarrojo medio permitió a los investigadores capturar información de profundidad y crear una reconstrucción tridimensional completa de las estructuras del canal. Los poros en las cerámicas de alúmina hacen que este material sea útil para pruebas de drogas y detección de ADN, pero también tiene una gran dispersión en las longitudes de onda utilizadas tradicionalmente para OCT.

Los investigadores ya han comenzado a colaborar con socios de la industria y otros institutos de investigación para desarrollar un cabezal sensor OCT compacto y un sistema completo para una aplicación comercial piloto.