Hyperspektrale Bildgebung im mittleren Infrarotbereich mit nicht detektierten Photonen
Die Spektroskopie im mittleren Infrarot (MIR) nutzt die molekularen Fingerabdrücke von Proben, um biomedizinische oder umweltanalytische Untersuchungen ohne chemisches Einfärben oder Labeln durchzuführen. Hochspezifische Schwingungszustände der darin enthaltenen unterschiedlichen Moleküle liefern dabei charakteristische Signaturen. Damit erlaubt die Infrarotspektroskopie, nahezu jede Probe zerstörungsfrei und ohne Vorbehandlung (bio-)chemisch zu untersuchen.
In der Praxis scheitert der breite Einsatz jedoch oft an der aufwendigen und wenig kosteneffizienten MIR-Technik. Verglichen mit etablierten, markergestützten Verfahren sind die dafür benötigten Lichtquellen und Detektoren für solche spektroskopischen Methoden häufig noch nicht praktikabel, etwa für den Einsatz in einer Klinik.
Ein Forschungsteam der Humboldt-Universität zu Berlin und des Ferdinand-Braun-Instituts (FBH) im gemeinsamen Joint Lab Nonlinear Quantum Optics hat nun in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IPM in Freiburg eine alternative Methode der spektralen Bildgebung entwickelt. Die Forschenden nutzen den quantenoptischen Effekt der Messung mit nicht detektierten Photonen, um molekulare MIR-Informationen biologischer und industrieller Proben in den Detektionsbereich siliziumbasierter Kameras zu übertragen. Benötigt wird lediglich ein kosteneffizienter roter Laser. Dieser erzeugt in einem speziellen nichtlinearen Kristall verschränkte Photonen-Paare aus jeweils einem nah- und einem mittinfraroten Photon.
Eine Interferenz zweier solcher Paarbildungsprozesse überträgt die spektrale Information des MIR-Photons in den Nahinfrarot-Bereich. Durch die Kombination von bildgebender Optik und sogenannter Fourier-Transformations-Spektroskopie werden nicht nur zweidimensionale Abbildungsinformationen, sondern auch ortsaufgelöste MIR-Transmissionsspektren der jeweiligen Probe erfasst. Das Resultat ist ein dreidimensionaler Datensatz aus räumlichen und spektralen Informationen. Auf dieser Basis lässt sich die bio-chemische Zusammensetzung, wie etwa von Gewebeproben, sichtbar machen – ohne Marker und ohne direkte MIR-Detektion.
Parallel zur Weiterentwicklung des zugrunde liegenden Messprinzips entwickelt das FBH in seinem Laser Modules Lab kompakte Interferometer-Module. Diese Module schaffen die Voraussetzung, das Verfahren in konkrete Anwendungen im Bereich der Medizintechnik und Umweltanalytik zu überführen.
Diese Arbeiten werden vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (13N15944, 13N16384) gefördert und wurden jüngst im Optica Journal der gleichnamigen Verlagsgesellschaft publiziert.
Publikation
Marlon Placke, Chiara Lindner, Felix Mann, Inna Kviatkovsky, Helen M. Chrzanowski, Hendrik Bartolomaeus, Frank Kühnemann, Sven Ramelow, "Mid-IR hyperspectral imaging with undetected photons," Optica 13, 328-335 (2026), https://doi.org/10.1364/OPTICA.573220
