Czujnik pojedynczych fotonów może być zapowiedzią nowej generacji technologii obrazowania

Cząsteczki pojedynczych fotonów są najmniejszymi elementami składowymi światła. Możliwość wykrywania światła na takim poziomie pozwala na obrazowanie o najwyższym stopniu czułości. Jednak co ważniejsze, możliwość dokładnego zmierzenia, kiedy foton zostanie wykryty po odbiciu od obiektu lub wyemitowaniu z niego, ujawnia ważne informacje na temat tego obiektu. Informacje te mają kluczowe znaczenie, na przykład dla określenia specyficzności chemicznej w ramach obrazowania czasów życia fluorescencji. Dodatkowo wykrywanie korelacji czasoprzestrzennych pomiędzy pojedynczymi fotonami pomaga w tworzeniu nowych urządzeń do obrazowania, zwiększając rozdzielczość w porównaniu z tą, jaką oferują tradycyjne metody obrazowania. Zespół wspieranego przez UE projektu gammaCam zaprezentował możliwości dwóch czujników na potrzeby obrazowania CMOS w laboratorium, a następnie wbudował jeden z nich w prototypową kamerę. Kamera ta może rejestrować fotony w przeciągu 200 pikosekund od ich dotarcia do czujnika, co pozwala na uzyskanie pierwszorzędnej rozdzielczości. – Wraz z konsolidacją osiągnięć technicznych wypracowanych w ramach poprzedniego projektu dokonaliśmy kwantyfikacji zasobów potrzebnych do produkcji czujnika na małą skalę i przeanalizowaliśmy jego najbardziej obiecujące zastosowania – mówi koordynator projektu André Stefanov z Uniwersytetu w Bernie, będącego gospodarzem projektu. Budowa idealnego wykrywacza Choć w dziedzinie technologii obrazowania dokonano w ostatnim czasie znacznych postępów, nadal opiera się ona na wykrywaniu średniego natężenia światła na każdy piksel w czasie naświetlania kamery. Tradycyjne kamery mogą więc rejestrować tylko takie wahania światła, które są wolniejsze od czasu potrzebnego na zarejestrowanie obrazu, zazwyczaj w zakresie milisekund. Jest to istotne, ponieważ możliwość pomiaru wahań natężenia światła dostarcza cennych dodatkowych informacji na temat badanych obiektów. – Idealne urządzenie obrazujące rejestruje zarówno czas wykrycia, jak i położenie każdego pojedynczego fotonu w wiązce światła oświetlającej obiekt. Ta informacja czasoprzestrzenna ma kluczowe znaczenie dla wielu technologii obrazowania, takich jak obrazowanie czasu przelotu lub obrazowanie skorelowane – wyjaśnia André Stefanov. Kamery bramkowe pozwalają na naświetlanie w zakresie nanosekund, jednak są kosztowne i nie wykrywają też fotonów docierających do nich w różnym czasie, tak więc nie rejestrują pełnej informacji czasoprzestrzennej. W ramach projektu SUPERTWIN firma GammaCam kontynuowała rozwój dwóch czujników przeznaczonych do obrazowania kwantowego. W czujnikach tych wykorzystano matryce fotodetektora zwanego „jednofotonową fotodiodą lawinową” (SPAD), który rejestruje czas wykrycia każdego fotonu z dokładnością na poziomie poniżej nanosekundy. Czujnik SuperEllen oferuje rozdzielczość 32 x 32 piksele, natomiast SuperAlice 224 x 272 piksele. SuperAlice to również wszechstronny czujnik, który może rejestrować czas wykrycia fotonów lub po prostu je zliczać. W celu dalszej oceny korelacji przestrzennej ze światła kwantowego w ramach projektu SUPERTWIN oba czujniki zostały przetestowane z użyciem par fotonów splątanych. – Możliwość obserwacji pierwszych pomiarów światła kwantowego była bardzo ekscytującym doświadczeniem. Zwłaszcza, że duża liczba pikseli oferowana przez czujnik SuperAlice, w przeciwieństwie do czujnika SuperEllen, pozwoliła również na dokładniejsze scharakteryzowanie światła kwantowego poprzez obserwację korelacji dalekiego zasięgu pomiędzy fotonami – dodaje naukowiec. Zakres zastosowań Najbardziej prawdopodobne zastosowania tych matryc SPAD będą obejmowały użycie w zaawansowanych mikroskopach do badania procesów molekularnych o krytycznym znaczeniu dla medycyny. – Nasze czujniki mogą ulepszyć już istniejące metody – takie jak LSFM – albo pomóc w opracowywaniu nowych metod i rozwijaniu nowych rynków. W tym celu musimy dokładniej określić pełen zakres pomiarów, na dokonywanie których one pozwalają – podsumowuje André Stefanov. Prototypowa kamera jest przenośna, a ponieważ jest stosunkowo łatwa do zastosowania w istniejących systemach optycznych, można wykorzystać ją już w doświadczeniach. Choć czujnik SuperAlice może trafić do masowej produkcji w tej samej odlewni, co prototyp, LFoundry, musi on zostać wbudowany w przyjazną dla użytkownika kamerę, aby na rynku dostępny był gotowy do użytku produkt. Źródło: CORDIS