La technique d’imagerie à photon unique pourrait être utile pour les applications biomédicales et de sécurité

“L’imagerie 3D avec des photons uniques pourrait être utilisée pour diverses applications biomédicales, telles que le diagnostic des soins oculaires”, a déclaré le chercheur Carsten Pitsch de l’Institut Fraunhofer d’optronique, des technologies des systèmes et de l’exploitation d’images et de l’Institut de technologie de Karlsruhe, tous deux en Allemagne. “Il peut être appliqué aux matériaux d’image et aux tissus sensibles à la lumière ou aux médicaments qui deviennent toxiques lorsqu’ils sont exposés à la lumière sans aucun risque de dommage.”

Dans la revue Optica Publishing Group Appliqué Optique, les chercheurs décrivent leur nouvelle approche, qui intègre de nouveaux détecteurs à réseau de diodes à avalanche à photon unique (SPAD). Ils appliquent le nouveau schéma d’imagerie, qu’ils appellent la détection asynchrone, pour effectuer une imagerie 3D avec une imagerie fantôme quantique.

“La détection asynchrone pourrait également être utile pour les applications militaires ou de sécurité car elle pourrait être utilisée pour observer sans être détectée tout en réduisant les effets de la sur-illumination, de la turbulence et de la diffusion”, a déclaré Pitsch. “Nous voulons également étudier son utilisation dans l’imagerie hyperspectrale, qui pourrait permettre d’enregistrer simultanément plusieurs régions spectrales tout en utilisant une très faible dose de photons. Cela pourrait être très utile pour l’analyse biologique.”

Ajouter une troisième dimension

L’imagerie fantôme quantique crée des images à l’aide de paires de photons intriquées dans lesquelles un seul membre de la paire de photons interagit avec l’objet. Le temps de détection de chaque photon est ensuite utilisé pour identifier les paires intriquées, ce qui permet de reconstruire une image. Cette approche permet non seulement l’imagerie à des niveaux de lumière extrêmement faibles, mais signifie également que les objets imagés n’ont pas à interagir avec les photons utilisés pour l’imagerie.

Les configurations précédentes pour l’imagerie fantôme quantique n’étaient pas capables d’imagerie 3D car elles reposaient sur des caméras à dispositif à couplage de charge intensifié (ICCD). Bien que ces caméras aient une bonne résolution spatiale, elles sont temporisées et ne permettent pas la détection temporelle indépendante de photons uniques.

Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont développé une configuration basée sur de nouveaux réseaux de diodes à avalanche à photon unique (SPAD) développés pour le LiDAR et l’imagerie médicale. Ces détecteurs ont plusieurs pixels indépendants avec des circuits de synchronisation dédiés, ce qui leur permet d’enregistrer le temps de détection de chaque pixel avec une résolution picoseconde.

La nouvelle approche utilise deux photons intriqués – un signal et un inactif – pour obtenir des images 3D avec un éclairage à photon unique. Cela implique de diriger les photons libres sur l’objet, puis de détecter les photons rétrodiffusés dans le temps. Pendant ce temps, les photons du signal sont dirigés vers une caméra dédiée qui détecte autant de photons que possible dans le temps et dans l’espace. Les chercheurs ont ensuite comparé le temps de détection de chaque pixel avec la détection du détecteur à un seul pixel pour reconstituer l’intrication. Cela leur a également permis de déterminer le temps de vol des photons libres en interaction, et avec cela, la profondeur de l’objet.

Une configuration adaptable

Une autre innovation clé était la polarisation périodique du cristal KTP utilisé pour créer les photons intriqués. “Cela permet une correspondance de quasi-phase très efficace pour presque tous les triplets de pompe-signal-oisif et nous permet de choisir librement les longueurs d’onde pour l’éclairage et l’imagerie”, a déclaré Pitsch. “Cela nous permet également d’adapter la configuration à de nombreuses autres applications ou longueurs d’onde.”

Les chercheurs ont démontré les capacités 3D de leur schéma de détection asynchrone en utilisant deux configurations distinctes différentes. L’un, qui ressemblait à un interféromètre de Michelson, a acquis des images à l’aide de deux bras séparés dans l’espace. Cette configuration a permis aux chercheurs d’analyser les performances du SPAD et d’améliorer la détection des coïncidences. L’autre configuration utilisait des optiques en espace libre et était davantage centrée sur les applications. Au lieu d’imager avec deux bras séparés, deux objets dans le même bras ont été imagés.

Bien que davantage de travail soit nécessaire, les deux configurations ont bien fonctionné en tant que démonstration de preuve de concept pour la nouvelle technique. Les expériences ont également montré que la détection asynchrone pouvait être utilisée pour la détection à distance, ce qui pourrait être utile pour les mesures atmosphériques.

Les chercheurs travaillent actuellement avec un fabricant de SPAD pour augmenter la résolution spatiale et le rapport cyclique – le pourcentage de temps pendant lequel le détecteur est allumé – pour les caméras SPAD. Ils prévoient également de remplacer le détecteur de roue libre couplé à la fibre par un détecteur couplé en espace libre plus rapide qui est devenu disponible récemment. Enfin, ils prévoient d’appliquer la configuration à l’imagerie hyperspectrale, qui pourrait être utilisée pour effectuer une imagerie dans l’important spectre infrarouge moyen sans avoir besoin de détecteurs qui fonctionnent à ces longueurs d’onde.