SPAD探測器首次實現(xiàn)3D量子鬼成像

光學裝置左側(cè)的SPAD陣列探測器是通過量子鬼成像獲取3D測量結(jié)果的關(guān)鍵

據(jù)報道，德國研究人員報告了第一次通過量子鬼成像獲得的3D測量結(jié)果。這項新技術(shù)能夠在單光子水平上進行3D成像，從而為任意測量提供最低光子劑量。在《應用光學》雜志上，研究人員描述了他們的新方法，其中包括新的單光子雪崩二極管（SPAD）陣列探測器。他們稱之為異步檢測的新成像方案。

量子鬼成像使用糾纏光子對創(chuàng)建圖像，其中光子對中只有一個光子與對象相互作用。每個光子的檢測時間用于識別糾纏對，從而可以重建圖像。以前的量子鬼成像裝置因依賴于增強型電荷耦合器件（ICCD）相機而無法進行3D成像，雖具有良好的空間分辨率，但因時間閘控，無法對單個光子進行獨立的時間檢測。

為了解決這個問題，研究人員開發(fā)了一種基于新的單光子雪崩二極管（SPAD）陣列的裝置。這些檢測器具有多個帶有專用定時電路的獨立像素，這使它們能夠以皮秒分辨率記錄每個像素的探測時間。

一個關(guān)鍵創(chuàng)新是使用兩個糾纏光子——信號光子和閑頻電子，在單光子照明下獲得3D圖像。將閑頻光子引導到物體上，并及時檢測反向散射光子，同時信號光子被引導到一個專用相機，在時間和空間上檢測盡可能多的光子。然后，研究人員將每個像素的檢測時間與單像素檢測器的檢測時間進行比較，以重建糾纏。這也使他們能夠確定相互作用的空轉(zhuǎn)光子的飛行時間，以及物體的深度。

另一個關(guān)鍵創(chuàng)新是用于產(chǎn)生糾纏光子的KTP晶體的周期性極化，這使得幾乎任何三重態(tài)的泵浦信號閑頻都可以進行高效的準相位匹配，并可以自由選擇照明和成像的波長。

研究人員使用兩種不同的獨立設(shè)置展示了異步檢測方案的3D功能。其中一個類似于邁克爾遜干涉儀，使用兩個空間分離的臂獲取圖像。這種設(shè)置使研究人員能夠分析SPAD的性能并改進重合檢測。另一種設(shè)置使用了自由空間光學器件，并且更加以應用為中心。不是對兩個分開的手臂成像，而是對同一手臂中的兩個物體進行成像。

實驗表明，異步檢測可以用于生物醫(yī)學應用、軍事或安全應用、大氣測量等。