Dispersionsfreie Kohärenztomographie mit modulierten Lasern

Optische Kohärenztomographie (OCT) ist eine neue, nicht-invasive Abbildungstechnologie die auf Weißlichtinterferometrie basiert. Sie findet viele Anwendungen im biologischen sowie medizinischen Bereich, besonders bei der (Früh-)Erkennung von Krankheiten, da diese Methode hochauflösende Tiefenprofile von Zell- und Gewebeproben ermöglicht [3]. Leider stellt die Dispersion der Proben ein großes Problem für OCT dar, weil diese sowohl den Kontrast wie auch die Genauigkeit der Interferenzmuster mit zunehmender Probenstärke stark verringert. Dadurch wird der Bereich der möglichen OCT Anwendungen stark einschränkt. Kürzlich haben neue Entwicklungen in der Quanteninterferometrie zu Vorschlägen und ersten Demonstrationen von quanten-optischer Kohärenztomographie (Q-OCT) geführt [4, 5]. Diese Methode basiert auf der sogenannten Hong-Ou-Mandel (HOM) Interferometrie [6], die frequenz-verschränkte Photonen benutzt. Der große Vorteil dieser Methode ist dass alle geraden Ordnungen der Dispersion automatisch ausgelöscht werden [7]. Weiters ist HOM-Interferometrie phaseninsensitiv, hat eine bessere Auflösung, und die Interferenzgüte ist unabhängig von ungleichen, optischen Verlusten im Interferometer. Allerdings beruht diese Technik auf frequenzverschränkten Einzel-Photonen, deren Herstellung, Manipulation sowie Detektion derzeit eine große experimentelle Herausforderung darstellt. Dadurch ist Q-OCT bisher nur auf einfache Demonstrationen im Labor beschränkt und eine praktische Anwendung so gut wie nicht möglich. Einsichten und neue Erkenntnisse in der Quanteninformation haben jedoch zur Entwicklung einer neuen, klassischen Methode geführt welche modulierten Laserpulsen (CP) verwendet [10]. Die Methode beruht auf der Zeitumkehr-Symmetrie der Quantenmechanik und weißt alle Vorteile der HOM-Interferometrie auf. Da diese Technik klassische Laserpulse statt verschränkter Einzelphotonen verwendet ist das daraus resultierende Interferenzsignal millionenfach stärker. Dieser Vorteil macht die CP-Interferometrie zu einem attraktiven Kandidaten für dispersionsfreie OCT. Das Ziel des hier vorgeschlagenen Projekts ist der Entwurf und die Realisierung eines hoch-auflösenden Abbildungs-Prototyps der auf dieser neuen CP-Interferometrie (CPI) basiert. Dieses Projekt stellt den nächsten, logischen Schritt in der Entwicklung dieser Methode dar. Das ultimative Ziel ist die drei-dimensionale Abbildung von komplexen, biologischen Proben, wie zB. von einer Zwiebelschale, einem Standard-Testobjekt in OCT, und schlußendlich von menschlichen oder tierischen Gewebeproben. Dazu muss die CPI Methode und deren Auflösung weiter verbessert und ein automatisierter Probentisch entworfen werden. Außerdem muss die für die Bildrekonstruktion nötige Datenerfassung und Signalauswertung implementiert und automatisiert werden. Ein erfolgreicher Prototyp würde einen signifikanten Fortschritt in der bildgebenden Technik bedeuten sowie mögliche Anwendungen in der Biologie und Medizin haben. Ein vielversprechender Nebenzweig dieses Projekts ist die Erforschung von weiteren Fällen in denen der Zeitumkehr-Symmetrie Ansatz und die CPI Methode zur Anwendung kommen kann. Es existiert die berechtigte Vermutung, dass die Unterschiede zwischen der Quanten- und der klassischen Interferenz weniger ausgeprägt als bisher angenommen sind [14]. Diese Forschungsrichtung adressiert eine der zentralen Fragen in der heutigen Quanteninformation, nämlich in wie fern uns Erkenntnisse aus der Quantenphysik helfen können bessere und praktikablere Technologien zu entwickeln.