Optical coherence tomography with nonlinear interferometers

In recent years, quantum properties of light are opening the door to new applications, especially in communications and high-resolution probing and imaging. Optical coherence tomography (OCT) is an imaging technique introduced in 1991 that uses light interference to produce high-resolution images of the tissue. When it was first introduced, this technique was based on the classical properties of light, but since 2018 there has been growing interest in a new type of OCT scheme based on the use of nonlinear interferometers. These interferometers contain what are called optical parametric amplifiers. Some of these new OCT schemes are based on the idea of induced coherence, while others make use of an SU(1,1) interferometer. In this project, we describe the differences and similarities between the output signals measured in standard OCT and in these new OCT schemes. This comparison unveils the potential advantages of OCT based on nonlinear interferometers. Moreover, it also performs a comparison between the regimes in which non-linear interferometers can work, depending on the photon flux entering the interferometer: the low parametric gain regime and the high parametric gain regime. Some simplifications in the calculus of the output signal can be introduced when working in the low parametric gain regime. The question arises if these simplified expressions also a good approximation for the OCT signal expected in the high parametric regime. Throughout the project, we work in the spectral or Fourier domain of OCT, where the sample information obtained in any OCT scheme using the output signal spectrum.
En los últimos años, las propiedades cuánticas de la luz están abriendo la puerta a nuevas aplicaciones, especialmente en comunicaciones y sondeos e imágenes de alta resolución. La tomografía de coherencia óptica (OCT) es una técnica de obtención de imágenes introducida en 1991 que utiliza interferencias de luz para producir imágenes de alta resolución del tejido. Cuando se introdujo por primera vez, esta técnica se basaba en las propiedades clásicas de la luz, pero desde 2018 ha habido un interés creciente en un nuevo tipo de esquema de OCT basado en el uso de interferómetros no lineales. Estos interferómetros contienen lo que se llama amplificadores paramétricos ópticos. Algunos de estos nuevos esquemas de OCT se basan en la idea de coherencia inducida, mientras que otros utilizan un interferómetro SU (1,1). En este proyecto, describimos las diferencias y similitudes entre las señales de salida medidas en OCT estándar y en estos nuevos esquemas de OCT. Esta comparación revela las ventajas potenciales de la OCT basada en interferómetros no lineales. Además, también realiza una comparación entre los regímenes en los que pueden trabajar los interferómetros no lineales, dependiendo del flujo de fotones que ingresa al interferómetro: el régimen de baja ganancia paramétrica y el régimen de alta ganancia paramétrica. Se pueden introducir algunas simplificaciones en el cálculo de la señal de salida cuando se trabaja en el régimen de ganancia paramétrica baja. Surge la pregunta de si estas expresiones simplificadas también son una buena aproximación para la señal OCT esperada en el régimen paramétrico alto. A lo largo del proyecto, trabajamos en el dominio espectral o de Fourier de OCT, donde se obtiene la información de la muestra en cualquier esquema de OCT utilizando el espectro de la señal de salida.
En els darrers anys, les propietats quàntiques de la llum estan obrint la porta a noves aplicacions, especialment en comunicacions i en sondatges i imatges d'alta resolució. La tomografia de coherència òptica (OCT) és una tècnica d'imatge introduïda el 1991 que utilitza interferències de llum per produir imatges d'alta resolució del teixit. Quan es va introduir per primera vegada, aquesta tècnica es basava en les propietats clàssiques de la llum, però des del 2018 hi ha hagut un interès creixent per un nou tipus d'esquema OCT basat en l'ús d'interferòmetres no lineals. Aquests interferòmetres contenen el que s'anomena amplificadors paramètrics òptics. Alguns d'aquests nous esquemes OCT es basen en la idea de coherència induïda, mentre que d'altres fan ús d'un interferòmetre SU (1,1). En aquest projecte, descrivim les diferències i similituds entre els senyals de sortida mesurats en OCT estàndard i en aquests nous esquemes OCT. Aquesta comparació revela els avantatges potencials de l'OCT basat en interferòmetres no lineals. A més, també realitza una comparació entre els règims en què poden funcionar interferòmetres no lineals, en funció del flux de fotons que entren a l'interferòmetre: el règim de guany paramètric baix i el règim de guany paramètric elevat. Es poden introduir algunes simplificacions en el càlcul del senyal de sortida quan es treballa en règim de guany paramètric baix. La pregunta sorgeix si aquestes expressions simplificades també són una bona aproximació del senyal OCT esperat en el règim paramètric elevat. Al llarg del projecte, treballem en el domini espectral o de Fourier d'OCT, on es mostra la informació obtinguda en qualsevol esquema OCT mitjançant l'espectre de senyal de sortida.