由于其独特的生化特异性，结合了中红外(IR)照明的显微镜技术在一系列生物医学和工业应用中具有广阔的前景。但是，该方法主要受到检测范围的限制，在这种情况下，现有的中红外(mid-IR)检测技术通常会结合劣质方法，这些方法也很昂贵。在现在发表在《科学进展》上的新报告中Inna Kviatkovsky以及德国物理学，实验和临床研究以及分子医学研究团队发现，纠缠光的非线性干涉测量技术为中红外显微镜提供了强大的工具。实验设置仅需要使用基于硅的摄像机进行近红外检测。他们开发了原理验证实验，以显示覆盖3.4至4.3微米(μm)的较宽波长范围的宽场成像。该技术适合在中红外获取生物组织样本的显微图像。这项工作形成了一种与生命科学中的量子成像潜在相关的原始方法。

中红外成像

显微镜和中红外成像在生物学，医学，环境科学和微流体学领域具有广泛的应用。例如，研究人员可以使用中红外光来感知特定分子的独特旋转和振动模式，以此作为“光谱指纹”，从而克服了标记的需求。这种无标签的非侵入性技术对于在很大程度上未改变的活组织中的生物成像程序非常重要。傅里叶变换红外光谱成像是一种最新的中红外成像技术很大程度上取决于宽带红外源和检测器。然而，IR检测器在技术上具有挑战性，价格昂贵并且有时需要低温冷却。为了避开对红外探测器的需求，研究人员必须开发相干拉曼光谱和反斯托克斯散射显微技术。他们以明显不同的方式使用了纠缠的光子对的干扰，该对光子对的波长差异很大，不需要在成像波长处有激光源或探测器。在这项工作中，Kviatkovsky等。使用高度多模态量子非线性干涉仪作为仅使用中功率可见光激光器和标准定制金属氧化物半导体(CMOS)相机进行中红外区域显微成像的强大工具。他们导出了具有高度非简并光子对的宽视野成像的视野和分辨率的明确公式。

科学家通过以折叠的迈克尔逊几何形状(干涉图样)使周期性极化的磷酸钛氧钾(ppKTP)晶体两次通过，从而开发出了一种非线性干涉仪。泵通过自发的参数下变频两次通过晶体，以产生一对信号和闲置光子(SPDC)-非线性光学过程，其中光子在光学实验室中自发分裂为另外两个较低能量的光子。SPDC方法构成了当前实验室中许多量子光学实验的基础，涵盖了量子密码术，量子计量学甚至可以促进量子力学基本定律的测试。信号和空闲模式在晶体的第一遍通过后对齐，传播回第二遍，并完美重叠以生成双光子。Kviatkovsky等。通过用CMOS摄像头观察信号光子来测量干扰，而没有包括复杂或成本高昂的组件来实现这种设置。该团队设计了非线性晶体，用于高度非简并的信号和惰轮波长，并使用以下方法选择了惰轮波长：宽带相位匹配。通过这种方式，实验允许同时检索样品的空间分辨相位和幅度信息，并且该团队使用现成的CMOS相机对中红外成像特性进行了表征，以检测和采集生物样品的显微图像。

实验表征和概念验证

在成像技术的初始表征期间，Kviatkovsky等人。将干涉仪的两个镜放置在晶体的远场，然后将要成像的样品放置在惰镜上。尽管分辨率有限，但未放大的配置提供了一个简单的过程来表征系统的成像能力。科学家们照亮了美国空军(USAF)的清晰路径分辨率目标，其结果值与从鬼影成像中得出的理论框架一致。他们将下转换源的高宽带特性与信号和惰轮之间共享的紧密能量相关性结合在一起，从而轻松实现高光谱成像。在概念验证演示期间，他们在检测之前就使用了带宽为3.5 nm的可调干扰滤波器，并通过更窄的滤波实现了增强的光谱分辨率。

使用该方法进行生物成像

该团队展示了通过使用未染色的小鼠心脏组织学样本来研究生物学样本的方法的潜力。他们通过轴向扫描相干长度内的干涉仪位移获得了中红外图像，并提取了每个像素的干涉信号的可见度和相位。结果消除了单次测量中可能在损耗和破坏性干扰之间产生的任何歧义。这项工作允许直接重建宽场相衬图像。所得图像显示心内膜的一部分，最内层衬在心室中，呈深紫色，表明光子吸收高。该层分隔心室和心肌; 构成心脏组织大部分的心肌。成像的清晰度突显了所提出的成像方法克服损耗和散射的高耐受性。

Inna Kviatkovsky及其同事以这种方式展示了具有非线性干涉测量技术的中红外成像如何在需要节省成本的节俭科学组件的现实成像任务中发挥重要作用。该团队实现了最小至35微米的成像功能，由于使用了宽带自发参数下转换，扩展的高光谱成像变得不那么复杂 (SPDC)策略。该团队通过非破坏性生物传感展示了这种新方法的现实前景，同时以低样品照度对湿生物样品进行成像。该策略允许将闲置光子携带的任何信息完美地传输到信号光子。尽管这项工作的空间分辨率仍然高于最先进的中红外系统的预期分辨率，但是扩展扩展以实现增强的成像功能非常简单。

该团队展示了具有实验性纠缠光子的非线性干涉测量技术，为中红外区域的显微镜提供了强大而经济高效的方法。这项工作利用了基于硅的近红外检测技术的成熟性，以中等红外成像和极低的光照水平进行了成像。这项工作可以扩展到整个微尺度的高光谱成像。作为概念的证明，科学家使用量子光对生物样品进行成像，以高分辨率显示形态特征。该结果将为宽带，高光谱中红外光谱技术以及生物学和生物医学工程中各种应用的宽视野成像铺平道路。