应用探究|超越鬼成像（二）：基于PPLN单晶体折返“无探测”量子成像

应用探究|超越鬼成像（二）：基于ppln单晶体折返“无探测"量子成像

在上篇文章《应用探究|量子成像技术探秘（一）：基于PPKTP晶体的未探测光子成像QIUP技术》中，我们分享了传统QIUP技术。而在此基础上，一种基于单非线性晶体的折返光路设计也逐渐流行。来自伦敦帝国理工学院物理系的布莱克特实验室分享了一种基于单块PPLN晶体的紧凑型、低成本化的QIUP。

在本文中，来自英国Covesion公司的10mm长PPLN晶体（MOPO515-0.5）作为波长转换的关键。泵浦光（532nm）首先 进入PPLN晶体，发生第1次非简并SPDC，产生了纠缠的信号光子（例如808nm）以及闲频光子（例如1559nm）。在DM2处，闲频光与信号/泵浦光被分离，闲频光前往样品镜（Sample mirror）和物体交互，而信号光和残余的泵浦光则前往扫描镜（Scanning mirror）。两路光随后各自反射回再次通过DM2回到PPLN晶体，折返回来的残余泵浦光有概率发生第2次SPDC，再次产生光子对。由于光路被精确对准重叠，两次SPDC的信号光子和闲频光子各自重叠在一起，无法确定光子对来自哪次通过，这种路径不可区分性，使得干涉条纹得以出现。而当物品被放置在第1次闲频光的光路中时，原先闲频光的振幅或者相位发生变化，路径变得可区分，两次闲频光之间的干涉条件被破坏。这种变化会通过量子纠缠传递给信号光子，信号光子的干涉条纹同样也会消失或发生变化。通过扫描镜微调光程差，调整干涉条纹，并用低成本、普通的硅基cmos相机即可记录不同扫描位置下的信号光强图像，经过进一步处理后即可重建样品的红外图像，免去了使用昂贵且灵敏的scmos或emccd。

让我们暂时脱离这“弯弯绕绕"的光路，其实这套光路的秘诀在于通过两个反射镜“走回头路"。在我们上一篇介绍传统QIUP的文章中，通过两个非线性晶体PPKTP分别进行两次SPDC后，发生量子干涉。光子一旦产生，就一路向前，zui终到达探测器。而在本文中，通过两个反射镜，让泵浦光两次通过同一个PPLN晶体，从而实现了两条路径的模式重叠和干涉，节约了光学元件的数量，并大幅缩小了系统体积；对振动、温度波动等干扰的鲁棒性非常强。

文中特别提到，这套系统可以在实验室外的环境中进行使用，在本地运输后也无需重新对准。并且在“走回头路“的过程中，反射镜（特别是扫描镜）引入可控的相位变化，从而影响了zui终的干涉条纹，同时获取幅值和相位信息，比传统QIUP的成像更为丰富。

由于Covesion的PPLN晶体包含多个极化周期，可以通过横向平移PPLN晶体，令泵浦光到达具有不同极化周期的区域，凭借温度调谐可以扩展波长的覆盖范围，产生706-839 nm的信号光子和1455-2159 nm的闲频光子。这种可调谐特性使得系统能够适配不同的应用场景，例如，为探测不同物质有的红外特征吸收峰提供了潜在可能。

在上图中，仅通过移动PPLN晶体（不主动控温）就在室温下实现了三个波长的金微电极样品成像。a) 探测波长1450nm，检测波长840nm。(b) 探测波长1620nm，检测波长792nm。(c) 探测波长1783nm，检测波长758nm。而其中的 visibility/Contrast对应的正是我们上一篇文章中提及的强度成像，直接反应了物体不同部分对探测光的吸收程度。Contrast是在Visibility的基础上优化了计算方式，在较高背景噪声下，也能真实反映样品的吸收/散射分布。Phase则对应的是相位成像，反应了物体引起的折射率/厚度变化，可以展现强度成像无法获取的弱吸收/透明样品的信息。因此这种快速分析方法仅需3张图像即可实时定量获取样品的透射率和相位变化信息。

在这个QIUP配置中，通过单个PPLN即实现了未探测光子的量子成像，免去了昂贵的红外探测器即可实现红外成像，抑制了热背景噪声。并且本研究还继续将QIUP从实验室原型向便携式设备进行发展，下图展示的即是同课题组设计的第二代系统。

展望未来，作者提到还有多种方法可以将工作波长扩展至中红外区域，包括使用不同的泵浦波长、不同的极化周期，以及不同的非线性材料。随着向中红外推进，预计该系统将在化学和医学相关应用中成为一个有价值的工具。Covesion的PPLN晶体同样是一个很好的选择，晶体支持460 nm – 5100 nm的波长转换，覆盖整个近红外和中红外区域。凭借高非线性系数，实现高效率转换！

英国Covesion有限公司是一家拥有超过20年经验的公司，提供300nm~5000nm全波段波长转换产品解决方案，专注于高效 MgO:PPLN / PPKTP 晶体与波导的研究、开发和制造。此外，Covesion还提供定制晶体服务，包括整个周期结构设计、掩膜设计、晶体极化、切块、抛光和镀膜增透，以满足特定波长转换需求。

上海昊量光电设备有限公司作为英国Covesion在中国地区的独代,负责其所有产品在国内的销售、服务，以及售后技术支持等。

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上海昊量光电设备有限公司是光电产品专业代理商，产品包括各类激光器、光电调制器、光学测量设备、光学元件等，涉及应用涵盖了材料加工、光通讯、生物医疗、科学研究、国防、量子光学、生物显微、物联传感、激光制造等；可为客户提供完整的设备安装，培训，硬件开发，软件开发，系统集成等服务。

参考文献

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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.