Superszybki 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”, wyjaśnia Stefanov. „Ta informacja czasoprzestrzenna ma kluczowe znaczenie dla wielu technologii obrazowania, takich jak obrazowanie czasu przelotu lub obrazowanie skorelowane”. 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 Stefanov.
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 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.
Słowa kluczowe
gammaCam, foton, czujnik, obrazowanie, rozdzielczość, CMOS, kamera, mikroskop, światło, pikosekundy
