Главная / Библиотека / Квантовая микроскопия клеток с разрешением на пределе Гейзенберга

Квантовая микроскопия клеток с разрешением на пределе Гейзенберга

Теги Andor CryLaS квантовая визуализация Thorlabs
Квантовая микроскопия клеток с разрешением на пределе Гейзенберга

Введение

Использование квантово запутанных фотонов (бифотонов) для визуализации является перспективным направлением, так как период дифракционной картины бифотонов вдвое уже, чем у классического света. Это указывает на возможность достижения сверхразрешения при использовании квантовой визуализации. Кроме того, квантовая визуализация демонстрирует лучшее отношение сигнал/шум (SNR) при большом количестве рассеянного света.

Основные проблемы методов квантовой визуализации: низкая скорость и небольшая числовая апертура оптической системы. Предложенная в статье схема квантовой микроскопии по совпадению (QMC) отличается симметричным построением оптических путей сигнальных и холостых фотонов, увеличением числовой апертуры системы и улучшенным алгоритмом получения изображения. Алгоритму требуется меньше кадров, поэтому скорость визуализации увеличена в 5 раз в сравнении с аналогичными методами. Поле зрения составляет 100 мкм × 50 мкм, а разрешение 1,4 мкм. 

Эксперимент

В схеме QMC (рисунок 1) излучение разделяется зеркальной призмой MRAK25-P01 (Thorlabs) на два плеча с сигнальными и холостыми фотонами. Их оптические пути симметричны от плоскости Фурье источника до плоскости детектирования, что обеспечивает корреляцию по координате и импульсу. В оба плеча интегрированы объективы с высокой числовой апертурой LI-20X, NA = 0,4 (Newport).

С каждым объективом также установлена полуволновая пластина на моторизованном прецизионном поворотном креплении PRM1Z8 (Thorlabs). Плоскость объекта, промежуточная плоскость и плоскость детектирования соединены 4f оптическими системами.

_Экспериментальная схема

Рисунок 1 – Экспериментальная схема

В качестве источника накачки используется CW лазер FQCW266-10-C (CryLaS), мощность 10 мВт. В качестве поляризатора используется призма Глана GLB10-UV и полуволновая пластина WPH05M-266 (Thorlabs) используется для настройки угла наклона поляризации излучения (используется вертикальное направление поляризации).

Излучение проходит через кристалл BBO PABBO5050-266(I)-HA3 (Newlight Photonics), где генерируется пара запутанных фотонов. Полосовой фильтр с центральной длиной волны 532 нм и полосой пропускания 2 нм 64-252 (Edmund Optics) используются для блокировки излучения накачки.

Для обнаружения фотонов используется камера EMCCD iXon Ultra 888 (Andor) с коэффициентом усиления 1000. Перед камерой также помещен полосовой фильтр для блокировки рассеянного света.

Алгоритм оценки совпадений

Распределения запутанных пар фотонов в правой и левой области камеры симметричны относительно центральной точки. Интенсивность пары пикселей правого и левого изображения определяется как сумма интенсивности изображения объекта и интенсивности шума.

Ковариация между запутанными фотонами в последовательности кадров намного больше, чем ковариация между двумя случайными фотонами. Поэтому из выражения можно удалить составляющую шума, после преобразования выражение для ковариации принимает вид

формула

Получение ковариации запутанных фотонов напрямую из каждого кадра обеспечивает значительно более сильное подавление рассеянного света в сравнении с прочими методами визуализации, а также лучший SNR. На рисунке 2 показано сравнение QMC и существующих методов.

1_CNR метода QMC и других методов широкопольной квантовой визуализации

Рисунок 2 – SNR метода QMC и других методов широкопольной квантовой визуализации (а) для различного числа использованных кадров, (б) для 105 кадров при рассеянном свете различной интенсивности. Классическое (в) и QMC (г) изображение углеродных волокон в присутствии рассеянного света интенсивностью 8I0, 2 × 106 кадров, масштаб: 20 мкм.

Оценка пространственного разрешения

Для оценки пространственного разрешения определяются FWHM функции рассеяния линии вблизи точки фокуса (рисунок 3). Наилучшие значения составляют 2,9 мкм и 1,4 мкм для классической и квантовой визуализации соответственно. Таким образом, QMC демонстрирует двукратное улучшение пространственного разрешения по сравнению с классической визуализацией.

2_Изображение тестового объекта USAF 1951

Рисунок 3 – Изображение тестового объекта USAF 1951, группа 7 (2,76 – 3,91 мкм), полученное с помощью классической (а) и QMC (б) визуализации, масштаб 20 мкм. (в) Нормализованные функции линии рассеяния классической и квантовой визуализации для различных значений координаты z относительно точки фокуса. (г) Пространственное разрешение в зависимости от z.

Визуализация клеток методом QMC 

На рисунке 4 показана визуализация раковых клеток классическим методом и методом QMC. Изображения усреднены по 2 х 106 кадрам (время записи одного кадра: 10 мс). QMC обеспечивает четкое разделение двух клеток, обозначенных стрелками, в отличие от классической визуализации.

3___Изображения, полученные с помощью классической (а) и QMC (б) визуализации

Рисунок 4 – Изображения, полученные с помощью классической (а) и QMC (б) визуализации. Шкала 20 мкм. (в) Нормализованная интенсивность классических и квантовых изображений на линии между стрелками.

Заключение

Метод микроскопии по совпадению (QMC) имеет преимущество перед существующими методами широкопольной квантовой визуализации благодаря сверхвысокому разрешению 1,4 мкм, в 5 раз более высокой скорости, улучшению SNR в 2,6 раза и в 10 раз большей устойчивости к рассеянному свету. QMC подходит для неразрушающей визуализации на клеточном уровне деталей, которые не могут быть разрешены с помощью классической визуализации, что было продемонстрировано при визуализации раковых клеток.

Компания INSCIENCE является поставщиком надежных решений в области систем квантового шифрования и квантовой связи

Online заявка

Теги Andor CryLaS квантовая визуализация Thorlabs
Новые статьи
Стабильность мощности лазеров Precilasers с частотным преобразованием
В статье описывается схема стабилизации мощности одночастотных лазеров с использованием замкнутого контура отрицательной обратной связи. Схема позволяет достичь стабильности <3% в условиях высоких и низких температур для лазеров Precilasers с удвоением частоты.
Высокопроизводительные источники неразличимых фотонов в телекоммуникационном C-диапазоне

В работе предлагается технология производства источников неразличимых фотонов в телекоммуникационном С-диапазоне на основе эпитаксиальных полупроводниковых квантовых точек. Новая методика позволяет детерминировано интегрировать квантовые излучатели в микрорезонаторы из кольцевых брэгговских решёток.

Исследование характеристик КМОП-камеры с обратной засветкой для регистрации когерентного рассеяния мягкого рентгеновского излучения

В статье описывается адаптация научной КМОП камеры Tucsen с обратной засветкой с целью улучшения возможностей регистрации когерентного рассеяния мягкого рентгеновского излучения.

Генераторы суперконтинуума для задач оптической когерентной томографии и флуоресцентной кросс-корреляционной спектроскопии

В работе представлено два возможных варианта использования источников суперконтинуума: в качестве источника зондирующего излучения для оптической когерентной томографии и в качестве источника возбуждения для флуоресцентной кросс-корреляционной спектроскопии.

Источник одиночных фотонов на основе монослоев WSe2 для квантовой коммуникации

В работе реализован протокол BB84 с твердотельным источником одиночных фотонов на основе атомарно тонких слоев WSe2, выделяющийся простотой изготовления и настройки свойств. Система конкурентоспособна в сравнении с передовыми решениями, а с внедрением улучшений в виде микрорезонаторов может превзойти их.

Квантовая микроскопия клеток с разрешением на пределе Гейзенберга

В статье описывается метод широкопольной квантовой микроскопии с пространственным разрешением 1,4 мкм, основанный на схеме с симметричными плечами холостых и сигнальных фотонов. Преимущества метода: высокие скорость, отношение сигнал/шум и устойчивость к рассеянному свету в сравнении с аналогичными методами квантовой визуализации.

У Вас особенный запрос?
У Вас особенный запрос?
Весьма часто наши заказчики лучше нас знают, какое оборудование им нужно. В этом случае мы берём на себя общение с производителем, доставку и таможенную очистку, а также все вопросы гарантийного периода. Пожалуйста, заполните эту форму, и мы свяжемся с Вами, чтобы помочь решить любую Вашу задачу. Или позвоните нам по телефону +7(495)199-0-199
Форма заявки
Ваше имя: *
Ваше имя
Ваш e-mail: *
Ваш телефон: *
Ваш телефон
Наши
контакты
г. Москва, ул. Бутлерова, д. 17Б

г. Санкт-Петербург, улица Савушкина 83, корп. 3