Demonstration of new experimental schemes for imaging and sensing: from quantum to classical and back

Abstract

(English) This Ph.D. thesis presents research in imaging and optical sensing, exploring novel concepts, and diverse applications. The experimental schemes put forward here are based on simulating specific aspects of quantum concepts using classical Optics. The last scheme takes the opposite direction. Employing quantum techniques, it develops the quantum version of a Differential Interference Contrast (DIC) microscope. The thesis is divided into several chapters, each addressing distinct aspects of an experimental scheme and its potential applications. item The first scheme introduces a proof-of-concept demonstration of an optical gate that uses light beam with orbital angular momentum. Inspired by the quantum fingerprinting protocol, this gate enables the efficient comparison of data strings and waveforms without the need for signal disclosure. The gate is tested comparing string of bits, strings of quarts and different waveforms. The second scheme presents a protocol to assess the presence of a particular spatial shape (or waveform) in a database, by evaluating the degree of similarity between the unknown spatial shape with all the elements contained in the database. The protocol is tested by comparing the shape of a trimmed disk in a database. The protocol is extended to the temporal domain, where the shapes are encoded in the amplitude of the electric fields. The third scheme is a novel approach to do Optical Coherence Tomography (OCT) with a fully non-mechanical scan. By leveraging the principles of spectral domain OCT and integrating a spatial light modulator (SLM) into the setup, non-mechanical steering of the illumination optical beam is achieved. This innovation eliminates the necessity of transverse scans using mechanical platforms potentially boosting the enhancement of the size, weight, and power (SWaP) of future commercial products. The last scheme is a quantum version of the Differential Interference Contrast (DIC) microscope, harnessing the remarkable Hong-Ou-Mandel (HOM) effect to retrieve phase gradients induced by varying optical thickness. In this case, the knowledge of quantum optics is applied to a microscope technique. The work presented in this thesis contributes to the idea of using protocols from the quantum world that could be mimicked in classical applications.

(Català) Aquesta tesi doctoral presenta una recerca en imatges i detecció òptica, explorant conceptes innovadors i diverses aplicacions. Els esquemes experimentals proposats aquí es basen en la simulació d'aspectes específics de conceptes quàntics utilitzant òptica clàssica. L'últim esquema pren la direcció contrària. Emprant tècniques quàntiques, desenvolupa la versió quàntica d'un microscopi de Contrast d'Interferència Diferencial (DIC). La tesi es divideix en diversos capítols, cadascun abordant aspectes diferents d'un esquema experimental i les seves possibles aplicacions. El primer esquema presenta una demostració de prova de concepte d'una porta òptica que utilitza feixos de llum amb moment angular orbital. Inspirada en el protocol quantum fingerprinting, aquesta porta permet la comparació eficient de cadenes de dades sense necessitat de revelar la senyal. La porta es posa a prova comparant cadenes de bits, quarts i diferents fronts d'ona. El segon esquema presenta un protocol per avaluar la presència d'una forma espacial particular (o front d'ona) en una base de dades, mitjançant l'avaluació del grau de similitud entre la forma espacial desconeguda i tots els elements continguts a la base de dades. El protocol es posa a prova comparant la forma d'un disc retallat en una base de dades. El protocol s'estén al domini temporal, on les formes estan codificades en l'amplitud dels camps elèctrics. El tercer esquema és un enfocament innovador per realitzar Tomografia Coherent Òptica (OCT) amb un escaneig totalment no mecànic. Aprofitant els principis de la OCT de domini espectral i integrant un Modulador Espacial de Llum (SLM) en la configuració, s'aconsegueix un escaneig no mecànic del feix òptic d'il·luminació. Aquesta innovació elimina la necessitat d'escanejos transversals utilitzant plataformes mecàniques, la qual cosa podria impulsar l'augment de la grandària, pes i consum d'energia (SWaP, per les seves sigles en anglès) de futurs productes comercials. L'últim esquema és una versió quàntica del microscopi de Contrast d'Interferència Diferencial (DIC), aprofitant el notable efecte Hong-Ou-Mandel (HOM) per recuperar gradients de fase induïts per canvis en el gruix òptic. En aquest cas, s'aplica el coneixement de l'òptica quàntica a una tècnica de microscòpia. El treball presentat en aquesta tesi contribueix a la idea d'utilitzar protocols del món quàntic que podrien ser imitats en aplicacions clàssiques.

(Español) Esta tesis de doctorado presenta una investigación en imágenes y detección óptica, explorando conceptos novedosos y diversas aplicaciones. Los esquemas experimentales propuestos aquí se basan en la simulación de aspectos específicos de conceptos cuánticos utilizando Óptica clásica. El último esquema toma la dirección opuesta. Empleando técnicas cuánticas, desarrolla la versión cuántica de un microscopio de Contraste de Interferencia Diferencial (DIC). La tesis se divide en varios capítulos, cada uno abordando aspectos distintos de un esquema experimental y sus posibles aplicaciones. El primer esquema presenta una demostración de prueba de concepto de una compuerta óptica que utiliza haces de luz con momento angular orbital. Inspirada en el protocolo quantum fingerprinting, esta compuerta permite la comparación eficiente de cadenas de datos sin necesidad de revelar la señal. La compuerta se prueba comparando cadenas de bits, cuartos y diferentes frentes de ondas. El segundo esquema presenta un protocolo para evaluar la presencia de una forma espacial particular (o frente de onda) en una base de datos, mediante la evaluación del grado de similitud entre la forma espacial desconocida y todos los elementos contenidos en la base de datos. El protocolo se prueba comparando la forma de un disco recortado en una base de datos. El protocolo se extiende al dominio temporal, donde las formas están codificadas en la amplitud de los campos eléctricos. El tercer esquema es un enfoque novedoso para realizar Tomografía de Coherencia Óptica (OCT) con un escaneo totalmente no mecánico. Aprovechando los principios de la OCT de dominio espectral e integrando un Modulador Espacial de Luz (SLM) en la configuración, se logra un escaneo no mecánico del haz óptico de iluminación. Esta innovación elimina la necesidad de escaneos transversales utilizando plataformas mecánicas, lo que podría impulsar el aumento del tamaño, peso y consumo de energía (SWaP, por sus siglas en ingles) de futuros productos comerciales. El último esquema es una versión cuántica del microscopio de Contraste de Interferencia Diferencial (DIC), aprovechando el notable efecto Hong-Ou-Mandel (HOM) para recuperar gradientes de fase inducidos por cambios en el grosor óptico. En este caso, se aplica el conocimiento de la óptica cuántica a una técnica de microscopía. El trabajo presentado en esta tesis contribuye a la idea de utilizar protocolos del mundo cuántico que podrían ser imitados en aplicaciones clásicas.