Tomografía de coherencia óptica cuántica

La tomografía de coherencia óptica cuántica (Q-OCT) es una técnica de imagen que utiliza fuentes de luz no clásicas (cuánticas) para generar imágenes de alta resolución basadas en el efecto Hong-Ou-Mandel (HOM). ^{[ 1 ]} La Q-OCT es similar a la OCT convencional , pero utiliza un interferómetro de cuarto orden que incorpora dos fotodetectores en lugar de un interferómetro de segundo orden con un solo fotodetector. ^{[ 2 ]} La principal ventaja de la Q-OCT sobre la OCT es su insensibilidad a la dispersión de orden par en medios multicapa y dispersores. ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]}

Hasta el momento se han desarrollado varias fuentes de luz cuántica. Un ejemplo de estas fuentes no clásicas es la conversión descendente paramétrica espontánea , que genera pares de fotones entrelazados (fotones gemelos). ^{[ 6 ]} Los fotones entrelazados se emiten en pares y presentan correlaciones temporales y espaciales más fuertes que las clásicas. Además, los fotones entrelazados están anticorrelacionados en frecuencias y direcciones. Sin embargo, dado que las fuentes de luz no clásicas son costosas y limitadas, se han desarrollado varias fuentes de luz cuántico-miméticas mediante luz clásica y óptica no lineal, que imitan la cancelación de la dispersión y ofrecen beneficios adicionales únicos. ^{[ 7 ]}

El principio de la Q-OCT es la interferometría de cuarto orden. La configuración óptica se basa en un interferómetro de Hong-ou-Mandel (HOM) con una fuente de luz no clásica . Los fotones gemelos viajan hacia el brazo de referencia y el brazo de muestra, donde se recombinan, y la tasa de coincidencia se mide con retardo de tiempo. ^{[ 8 ]}

El cristal no lineal es bombeado por un láser y genera pares de fotones con anticorrelación en frecuencia. Un fotón viaja a través de la muestra y el otro a través de un tiempo de retardo antes del interferómetro. La tasa de coincidencia de fotones en los puertos de salida del divisor de haz se mide en función de la diferencia de longitud (${\displaystyle c\tau _{q}}$) mediante un par de detectores de conteo de fotones individuales y un contador de coincidencias.

Debido a la interferencia cuántica destructiva, ambos fotones emergen del mismo puerto cuando las longitudes del camino óptico son iguales. La tasa de coincidencia presenta una caída pronunciada cuando la diferencia de longitud del camino óptico es cero. Estas caídas se utilizan para monitorizar la reflectancia de la muestra en función de la profundidad. ^{[ 9 ]}

La fuente de fotones gemelos se caracteriza por el estado de entrelazamiento de frecuencia:

${\displaystyle \left|\psi \right\rangle =\int \,d\Omega \zeta (\Omega )\left|\omega _{0}+\Omega \right\rangle _{1}\left|\omega _{0}-\Omega \right\rangle _{2},}$

dónde${\displaystyle \Omega }$es la desviación de la frecuencia angular alrededor de la frecuencia angular central${\displaystyle \omega _{0}}$del paquete de ondas de fotones gemelos,${\displaystyle \zeta (\Omega)}$es la amplitud de probabilidad espectral .

Una muestra reflectante se describe mediante una función de transferencia:

${\displaystyle H(\omega )=\int \limits _ {0}^{\infty }\,dzr(z,\omega )e^{i2\phi (z,\omega )},}$

dónde${\displaystyle H(\omega )=r(z,\omega )}$es el coeficiente de reflexión complejo desde la profundidad${\displaystyle z}$,

La tasa de coincidencia${\displaystyle C(\tau _{q})}$entonces se da por

${\displaystyle C(\tau _{q})\propto \Lambda _{0}-Re{\Lambda (2\tau _{q})},}$

dónde

${\displaystyle \Lambda _{0}=\int \,d\Omega |H(\omega _{0}+\Omega )|^{2}S(\Omega )}$,

y

${\displaystyle \Lambda (\tau _{q})=\int \,d\Omega H(\omega _{0}+\Omega )H^{\ast }(\omega _{0}-\Omega )S(\Omega )e^{-i\Omega \tau _{q}},}$

representan las contribuciones constantes (autointerferencia) y variables (interferencia cruzada). ^{[ 10 ]}

Las caídas en la gráfica de la tasa de coincidencia se deben a las reflexiones de cada una de las dos superficies. Cuando dos fotones tienen la misma longitud de trayectoria total, se produce la interferencia destructiva de la amplitud de probabilidad de los dos pares de fotones.

En comparación con la OCT convencional, la Q-OCT presenta varias ventajas:

• mayor relación señal-fondo; ^{[ 11 ]}
• mejora de la resolución intrínseca por un factor de dos para el mismo ancho de banda de la fuente; ^{[ 12 ]}
• componentes del interferograma que son insensibles a la dispersión de orden par del medio; ^{[ 13 ]}
• componentes del interferograma que son sensibles a la dispersión del medio ^{[ 14 ]}

De forma similar a la FD-OCT, la Q-OCT puede proporcionar imágenes 3D de muestras biológicas con una mejor resolución debido al entrelazamiento de fotones. ^{[ 15 ]} La Q-OCT permite una determinación directa de los coeficientes de dispersión de velocidad de grupo (GVD) de los medios. ^{[ 16 ]} El desarrollo de fuentes de luz cuántico-miméticas ofrece beneficios adicionales únicos para la imagen cuántica, como una relación señal-ruido mejorada , mejor resolución y mayor velocidad de adquisición. Si bien no se espera que la Q-OCT reemplace a la OCT, sí ofrece algunas ventajas como paradigma de imagen biológica.