32 MIR-Quanten-Rastermikroskopie jenseits von Quanten-Korrelationen Zahlreiche komplexe chemische Verbindungen zeigen im mittleren Infrarotbereich (MIR) ausgeprägte Signaturen, die für das Verständnis biologischer Prozesse und der organischen Chemie entscheidend sind. Dies ermöglicht markerfreie Bildgebungstechniken – ein Vorteil gegenüber herkömmlichen fluorophorbasierten Methoden, welche umfangreiche Probenvorbereitungen erfordern. Allerdings stehen aktuelle MIR-Technologien vor Herausforderungen, insbesondere hinsichtlich der Detektoren, die nicht die erforderliche Empfindlichkeit und Signal-RauschVerhältnis für Einzelphotonenanwendungen aufweisen. Zudem benötigen diese Detektoren häufig Kühlsysteme, was die Größe und Kosten der Geräte erhöht; die Quantenbildgebung mit nichtdetektiertem Licht (QIUL) stellt eine vielversprechende Alternative dar.1 Der Einsatz räumlich und spektral korrelierter Photonenpaare ermöglicht die Entkopplung der Sensor- und Detektionswellenlängen, wodurch eine markerfreie Einzelphotonenbildgebung in herausfordernden Spektralbereichen wie dem MIR2 oder dem THz3 erleichtert wird, während die Detektion bei sichtbaren Wellenlängen erfolgt. Bei weitfeld-basierten QIUL-Systemen wird die Bildgebungsleistung häufig durch die endliche Korrelationsstärke der Photonenpaare2 begrenzt, wodurch die Leistung des optischen Systems im Vergleich zur Beugungsgrenze der verwendeten Optik beeinträchtigt. Wir haben diese Grenze kürzlich überwunden, indem wir ein Raster-QIUL-System implementiert haben (Abb. 1), bei dem die Numerous complex chemical compounds exhibit distinct signatures in the mid-infrared (MIR) spectral range. These are crucial for studying biological processes and organic chemistry. This enables label-free imaging techniques—an advantage over traditional fluorophore-based methods that require extensive sample preparation. However, current MIR technologies face challenges, particularly with detectors that lack the necessary sensitivity and signal-to-noise ratio for single-photon applications. These detectors also often require cooling systems, which increases equipment size and cost. Quantum imaging with undetected light (QIUL) presents a promising alternative.1 Utilizing spatially and spectrally correlated photon pairs enables the decoupling of sensing and detection wavelengths, and thus facilitates label-free single-photon imaging in challenging spectral regions such as the MIR2 or the THz3, while detection occurs at visible wavelengths. In wide-field QIUL systems, the imaging performance is often limited by the finite strength of photon-pair correlations2, which degrades the optical system’s performance relative to the diffraction limit of the optics used. We recently overcame this limitation by implementing a raster scanning QIUL system (Fig. 1) in which the sample is illuminated with a focused beam which is scanned across the sample at a 2.4 µm wavelength.4 We demonstrated MIR scanning quantum microscopy beyond quantum correlations [1] Experimenteller Aufbau für MIR-Scanning-Mikroskopie mit nicht-detektiertem Licht. Der oben links dargestellte Prozess zur Bilderfassung erfolgt ausschließlich durch den Einzelpixel-Detektor. / Experimental setup for MIR scanning microscopy with undetected light. The image acquisition process shown at the top left is conducted exclusively by the single-pixel detector.
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