北京
中國科學技術大學薛向輝教授團隊提出并驗證了糾纏光照明的微米精度量子層析成像技術。基于糾纏光子對的雙光子干涉測量機制，在強湍流、氣泡密布的復雜液體環境中，仍能實現高保真三維圖像重構。相關成果以為“Quantum-locked tomography for turbulence immune 3D imaging at the micron scale”題，近期發表于國際知名光學期刊Photonics Research上。
高分辨率三維光學成像是精準醫療診斷、高端極端制造、工業精密檢測等領域的核心關鍵技術，但其成像效果極易受傳輸介質干擾。在生物醫學層析成像中，樣品運動引發的隨機光程波動，會導致細微結構分辨率下降；組織內部復雜的折射率分布，會造成光束波形畸變、圖像失真。在海洋探測、大氣遙感等場景中，湍流引發的動態波前畸變，會大幅降低系統成像分辨率，甚至導致氣–水界面三維測繪失效。如何在動態復雜環境中，有效抑制隨機波前擾動與光強閃爍，已成為生物成像、多層介質遙感領域亟待攻克的核心難題。
針對這一技術瓶頸，團隊發展了基于量子光學相干層析（QOCT）的抗擾動理論與實驗體系，以頻率糾纏光子對的雙光子干涉（HOM干涉）為核心，從理論層面定量分析了隨機波前擾動、強度噪聲對干涉對比度的影響規律，證實：在隨機相位漲落環境下，QOCT 的干涉能見度衰減速率，較傳統經典光學相干層析（OCT）慢一個數量級以上，抗干擾能力實現量級提升。
為驗證技術在真實工況的適用性，團隊搭建強湍流模擬實驗平臺，通過磁力攪拌在液體中制造夾卷大量氣泡的渦旋流場。實驗結果顯示：在雷諾數約5600的強湍流條件下，傳統OCT完全無法正常成像，而QOCT的干涉能見度僅從0.92微降至0.83，成像穩定性與抗干擾能力優勢顯著。
實驗平臺示意圖
透湍流液體的三維層析成像
圖（a）為強湍流液體對高斯光束的調制，圖（b）和（c）為強湍流情況下的QOCT干涉能見度，圖d為傳統OCT的成像結果，圖（e）和（f）為QOCT的成像結果
該成果突破了傳統光學成像的湍流限制，無需額外噪聲修正算法與復雜圖像重構處理，即可高效抑制多層復雜介質帶來的運動偽影、結構模糊問題，在強波前畸變、光強閃爍的極端條件下，依舊保持高干涉保真度。這一 “量子方案”，為生物醫學領域抗血流干擾的微血管疾病精準診斷、復雜水體環境目標三維重建、多介質極端制造工業檢測，提供了全新技術路徑。
該項研究成果是團隊在雙光子大氣探測技術上的迭代。中國科學技術大學地球和空間科學學院的楊可欣博士是論文第一作者，王沖副教授和薛向輝教授為論文共同通訊作者。國防科技大學劉博副教授和中國科學技術大學附屬醫院文磊教授為本技術提供了技術指導。該工作得到了國家自然科學基金委員會和合肥國家實驗室的支持。
論文鏈接：https://doi.org/10.1364/PRJ.587135
來源：光行天下
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