[논문 리뷰] Optical Coherence Tomography with a nonlinear interferometer in the high parametric gain regime

Gerard J. Machado, Gaetano Frascella외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 03.

Optical Coherence Tomography Applications참고 문헌 39인용 수 46

한 줄 요약

이 논문은 고 매개변수 이득 regime에서 SU(1,1) 비선형 간섭계를 사용한 광학 코히어런스 단층촬영(OCT)을 시연하여 높은 광자 플럭스, 표준 탐지기, 작은 손실에 대한 민감도 증가를 가능하게 한다.

ABSTRACT

We demonstrate optical coherence tomography based on an SU(1,1) nonlinear interferometer with high-gain parametric down-conversion. For imaging and sensing applications, this scheme promises to outperform previous experiments working at low parametric gain, since higher photon fluxes provide lower integration times for obtaining high-quality images. In this way one can avoid using single-photon detectors or CCD cameras with very high sensitivities, and standard spectrometers can be used instead. Other advantages are: higher sensitivity to small loss and amplification before detection, so that the detected light power considerably exceeds the probing one.

연구 동기 및 목표

• 비선형 간섭계가 작동하는 고 매개변수 이득에서 OCT를 동기로 제시하고 시연하여 영상 획득 속도와 민감도를 향상시킨다.
• 고 이득 작동이 더 높은 광자 플럭스를 제공하여 일반 탐지기(일반적으로 CCD 카메라 등)를 가능하게 하면서 축 해상도를 유지하거나 향상시킨다는 점을 보여준다.
• 고 이득 성능을 저 이득 영역과 비교하고 이 구조에서 시간 영역 OCT와 푸리에영역 OCT를 모두 설명한다.

제안 방법

• 532 nm Nd:YAG 레이저로 포획된 비선형 결정에 두 차례 통과시켜 상호 상관된 신호 및 아이들 광자를 생성하는 SU(1,1) 간섭계를 형성한다.
• 시스템을 고 매개변수 이득 G로 작동시켜(첫 패스에서 측정된 G = 1.7 ± 0.2) 큰 광자 플럭스를 달성한다(샘플을 탐사하는 파 Pulse당 약 13,000 아이들 광자 및 펄스당 약 4×10^5 신호 광자 검출).
• 샘플 및 시스템 반사율의 함수로서의 다중 모드 간섭 가시도 V를 도출하고(r_s 및 r_i의 비선형 의존성)을 보인다(논문 Eq. 4).
• 프린지용 위상을 스캔하거나 출력 신호의 스펙트럼을 분석하여 시계열 영역 OCT와 푸리에 영역 OCT를 구현하되 경로 길이 차 제약(Eq. 8)을 준수한다.
• 샘플 광자 스펙트럼 S(Ω)(Eq. 1) 및 결정의 첫 번째 및 두 번째 패스를 지배하는 Bogoliubov 변환(S1–S4 보충자료)을 해석적으로 제시한다.
• 검출된 스펙트럼의 푸리에 변환을 통한 축 해상도 및 스펙트럼 분석을 통해 OCT 깊이 프로파일을 얻는 방법을 제시한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고 매개변수 이득 regime에서 SU(1,1) 간섭계를 작동시키는 것이 저 이득 regime에 비해 OCT 성능을 향상시키는가?
• RQ2 고 이득 OCT가 표준 탐지기(CCD 카메라나 분광계)를 유지하면서도 작은 손실에 대한 이미지 품질과 민감도를 유지할 수 있는가?
• RQ3 고 이득 SU(1,1) OCT에서 샘플 반사율이 간섭 가시성에 어떤 영향을 미치며 이는 저 이득 동작과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 이 비선형 간섭계에서 푸리에 영역 OCT를 어떻게 구현할 수 있으며 PDC 대역폭을 감안할 때 어떤 축 해상이 가능한가?
• RQ5 경로 길이 차, 손실, 스펙트럴 해상도 등 이 아키텍처에서 고 이득 OCT를 구현할 때의 실용적 고려사항은 무엇인가?

주요 결과

• 고 이득 OCT에서 r_s = 0.6 및 다양한 r_i에 대해 간섭 가시성이 최대 90%까지 시연되었다.
• 샘플 반사율에 대한 가시성의 비선형 의존성을 발견하였고, 고 이득이 작은 손실에 대한 민감도를 향상시킨다.
• 매우 고 이득 영역에서 가시성은 V ≈ 2|r_s|/(|r_s|^2 + |r_i|^2) × |r_i|에 접근하며, 손실이 일치하는 경우(r_s = r_i) 가시성은 1이 된다.
• FD-OCT는 이 설정에서 가능하며 현재 대역폭 및 분광기의 제약하에 축 해상도는 약 60 μm이다.
• 단일 광자 탐지기가 아닌 표준 탐 detectors(CCD 또는 분광계)를 사용하고 근적외광을 탐침으로, 가시 영역에서 검출하는 방식으로 높은 광자 플럭스를 달성했다.
• 샘플과의 상호 작용 후 파라메트릭 증가로 인해 탐지 전력이 탐사 전력을 초과할 수 있는 실용적 프레임워크를 제시했다.