热光源量子光学相干层析中的若干问题

Quantum optical coherence tomography (QOCT) with entangled light has aroused much interest in the field of quantum optics and imaging, as it has extensive applications in the field of biological imaging, clinical medicine, and so on. We will theoretically and experimentally study QOCT with thermal light and discuss its practical applications. First,starting from the 2nd-order and high-order longitudinal correlation properties of thermal light, we will investigate the factors that affect the longitudianl resolution of QOCT, and design an experimental scheme for QOCT. Secondly, we will study the 2nd-order and high-order longitudinal correlation properties of thermal light propagating in dispersive media and examine the impact of the dispersion on the resolution, visibility and signal-to-noise ratio of QOCT to find whether the advantage of dispersion cancelation that entangled light provides is also present with thermal light. Thirdly, we will perform proof-of-principle QOCT imaging experiments for a reflecting object and scattering media with true thermal light and pseudo-thermal light, respectively. We will also investigate the enhancement of the longitudinal resolution by using high-order correlations of thermal light. Finally, experiments will be performed to demonstrate high resolution 3-dimension QOCT imaging with thermal light for real biological tissue, using schemes with and without a lens. It is expected that this program will enhance the development of QOCT technology and lay a solid foundation for its practical applications in biological imaging, clinical medicine and other fields.

量子光学相干层析（QOCT)是量子光学领域的前沿热点课题，在生物显像和临床医学等领域都具有广泛的应用价值。本项目拟从理论和实验上研究热光源的量子光学相干层析，探讨其实际应用方案。首先我们拟从热光源的二阶及高阶纵向关联性质入手，研究影响QOCT纵向分辨率的各种因素，提出热光源QOCT的实验方案；其次，深入探讨热光在色散介质中传播的二阶及高阶纵向关联性质，研究色散介质对于热光源QOCT的分辨率、对比度、信噪比等因素的影响，探讨在真实实验条件下热光源QOCT能否消除介质色散的影响；再次，分别以真热光和赝热光为光源完成对反射和散射介质QOCT的原理性实验，研究利用热光源高阶关联性质提高纵向分辨率的实验方案；最后与鬼成像技术相结合，分别以有透镜和无透镜实验方案实现生物样品的三维QOCT高分辨率成像。本项目的研究将极大推动这种新的层析成像技术的发展，为其在生物显像和临床医学等领域的应用打下坚实的基础。

近年来,对于关联成像技术的研究发现，这项基于强度关联的新型成像技术在众多领域具有巨大的潜在应用价值，其中量子光学相干层析（QOCT)便是其中之一。本项目以热光源的量子光学相干层析在生物显像和临床医学等领域的应用为牵引，从理论和实验上研究热光源的二阶和高阶关联性质，探讨热光源的高阶关联成像质量问题及其在QOCT实际应用方案。主要研究工作包括如下五个方面：.1）首次研究了基于三个探测器探测三路光强的赝热光源三阶双缝干涉实验。研究发现，与二阶双缝干涉相比，不仅三阶干涉的对比度有显著的提高，而且更高的对比度是由于等于所有二阶关联项的贡献之和的三阶关联项的贡献。.2）基于两个探测器的实验方案和改进的 阶关联函数，我们实现了赝热光源的无透镜高阶关联成像实验。实验发现，在采样数相同的情况下，基于改进的 阶关联函数的新算法能够有效降低热光源高阶关联成像的噪声，成像质量远远好于传统方法。此外，对高阶成像的对比度和信噪比随着采样数的变化规律进行了研究。.3）首次实现自然光源太阳光的无透镜关联成像。针对太阳光的特点，我们采用以原子滤波器为核心的窄带滤波系统，太阳光的收集与跟踪采用太阳轨迹自动跟踪的望远镜系统和单光子探测器和时间相关计数模块组成的符合测量系统进行了太阳光的时空关联性质的研究，并首次实现了太阳光的一维关联成像实验。.4）首次提出赝热光源的QOCT。通过对赝热光源的二阶纵向相干性质的研究发现当两个探测器反向扫描时得到的纵向分辨率比固定一个探测器，而扫描另一个探测器时的分辨率高，而对比度没有变化。在此基础上进行了赝热光源的QOCT原理性实验，即用两个反射镜模拟样品的两个反射面。实验发现镜面的反射率对对比度有影响，反射率越大的面对比度会越高，而对分辨率无影响。.5）首次实现了真热光源的二维无透镜关联成像。实验中选择无机放电灯作为光源，该光源比之前工作中的空心阴极灯具有更强的光场强度和更长的寿命。在该项研究中我们使用一种数值方法，通过二阶关联函数的测量值计算出其真实值，能够有效提高成像对比度。.本项目的研究推动了热光源量子光学相干层析技术的发展，为这种新的层析成像技术在生物显像和临床医学等领域的应用打下的基础。