Quanten-Bildgebung und Spektroskopie im Mittleren Infrarot
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des DFG-Projekts wurden an der HU Berlin grundlegende Pionierarbeiten zu Infrarot-Messungen mit nichtlinearen Interferometern durchgeführt. Durch die Nutzung verschränkter Photonenpaare kann dabei zwar die Beleuchtung der Probe mit MIR Photonen realisiert, die Probeneigenschaften aber ausschließlich durch Messung der mit den MIR Photonen verschränkten NIR-Photonen ermittelt werden - es sind weder MIR Detektoren noch Laser in diesem technologisch anspruchsvollen Spektralbereich nötig, weshalb das Verfahren auch Messung mit “undetektierten Photonen” genannt wird. Dies hat große technologische Vorteile, da die MIR-Sensorik bisher durch hohe Kosten und lange Messzeiten in ihrer Anwendung stark limitiert ist: Geräte am Markt (basierend auf scannender FTIR-Spektroskopie oder Quantenkaskadenlaser-Technologie) sind einerseits komplex und kostenintensiv und andererseits oft zu langsam, um für den Routineeinsatz z.B. in medizinischen Laboren geeignet zu sein. Hauptgründe hierfür sind die weiterhin bestehenden, hohen technologische Hürden sowohl in der Erzeugung als auch in der Detektion von MIR-Strahlung, die bei dem hier verfolgten Ansatz vollständig umgangen werden. Im Verlauf des Projekts wurde zunächst eine neuartige Möglichkeit zur sehr breitbandigen Erzeugung von Photonen-Paaren entdeckt und patentiert. Dies ermöglichte Experimente zu verschieden Messmodalitäten: Zum einen konnte hoch-auflösende optischer Kohärenztomographie im MIR mit NIR- Gitterspektrometern demonstriert werden, mit vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten z.B. in der Keramik-Inspektion. Dies wird momentan in einem BMBF finanzierten Industrie-nahem Verbundprojekt hin zu einem Demonstrator weiterentwickelt um die kommerzielle Verwertbarkeit dieser Method zu validieren. Weiterhin konnte dieses Verfahren für die MIR-Mikroskopie angewendet werden und dort fundamentale Zusammenhänge zur Auflösung und Anzahl der abgebildeten Bildelemente hergeleitet werden. Diese wurden in Demonstrations-Experimenten bestätigt - mit ersten vielversprechenden Messung an Gewebeproben von Mäuse-Herzen in Kollaboration mit Bio-Medizin Forschern am Max-Delbrück Zentrum, Berlin. In einem darauf aufbauenden, anwendungsorientierten Leuchtturm-BMBF-Projekt mit Industriepartnern,wird derzeit die Methodik hin zu einem Demonstrator für die klinische Anwendung in der Krebsdiagnostik weiterentwickelt. Schließlich konnte in weiteren Experimenten die MIR-Spektroskopie mit NIR-Gitterspektrometern demonstriert werden, eine Technik die erheblichen Vorteile gegenüber Verfahren mit klassischen Lichtquellen aufweist (Geschwindigkeit, Auflösung, Kompaktheit, Preis), und die damit in Anwendungen z.B. in der Mikroplastik-Analytik verdrängen könnte. Ein entsprechendes BMBF-Projekt widmet sich derzeit der Entwicklung eines Demonstrators hierfür.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Effects of time-energy correlation strength in molecular entangled photon spectroscopy. Physical Review A, 100(5).
Lever, Fabiano; Ramelow, Sven & Gühr, Markus
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German patent DE102018206810B3, “Verfahren zum Herstellen eines Bauelements, Bauelement und Verwendung des Bauelements” - siehe “Ultra-broadband SPDC for spectrally far separated photon pairs” OL 44, 4638 (2019)
Ramelow, Sven & Vanselow, Aron
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Ultra-broadband SPDC for spectrally far separated photon pairs. Optics Letters, 44(19), 4638.
Vanselow, Aron; Kaufmann, Paul; Chrzanowski, Helen M. & Ramelow, Sven
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Frequency-domain optical coherence tomography with undetected mid-infrared photons. Optica, 7(12), 1729.
Vanselow, Aron; Kaufmann, Paul; Zorin, Ivan; Heise, Bettina; Chrzanowski, Helen M. & Ramelow, Sven
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Microscopy with undetected photons in the mid-infrared. Science Advances, 6(42).
Kviatkovsky, Inna; Chrzanowski, Helen M.; Avery, Ellen G.; Bartolomaeus, Hendrik & Ramelow, Sven
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Versatile Super-Sensitive Metrology Using Induced Coherence. Quantum, 5, 458.
Miller, Nathaniel R.; Ramelow, Sven & Plick, William N.
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Mid-infrared microscopy via position correlations of undetected photons. Optics Express, 30(4), 5916.
Kviatkovsky, Inna; Chrzanowski, Helen M. & Ramelow, Sven
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Mid-IR spectroscopy with NIR grating spectrometers. Optics Express, 30(4), 5926.
Kaufmann, Paul; Chrzanowski, Helen M.; Vanselow, Aron & Ramelow, Sven
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Quantum imaging and metrology with undetected photons: tutorial. Journal of the Optical Society of America B, 39(8), 2200.
Barreto, Lemos Gabriela; Lahiri, Mayukh; Ramelow, Sven; Lapkiewicz, Radek & Plick, William N.
