2023 Fiscal Year Final Research Report

Development of a tomographic technology for biological objects using quantum pulse gates

Research Project

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Project/Area Number	21K18198
Research Category	Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
Allocation Type	Multi-year Fund
Review Section	Medium-sized Section 30:Applied physics and engineering and related fields
Research Institution	Nihon University
Principal Investigator	INOUE Shuichiro 日本大学, 理工学部, 教授 (30307798)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	行方直人日本大学, 理工学部, 准教授 (20453912) 高田則雄慶應義塾大学, 医学部(信濃町), 講師 (50415212) 大貫進一郎日本大学, 理工学部, 教授 (80386002) 岸本誠也日本大学, 理工学部, 助教 (90843053) 佐甲徳栄日本大学, 理工学部, 教授 (60361565) 小林伸彰日本大学, 理工学部, 准教授 (50611422)
Project Period (FY)	2021-07-09 – 2024-03-31
Keywords	量子パルスゲート / 周波数上方変換 / 和周波発生 / 単一光子検出 / 微弱光照射 / 生体断層撮影
Outline of Final Research Achievements	We developed an optical time-of-flight measurement system using a time-resolved and mode-selective up-conversion single-photon detector for acquiring tomographic images of a mouse brain. The probe and pump pulses were spectrally carved from a 100-femtosecond mode-locked fiber laser at 1556 nm using 4f systems, so that their center wavelengths were situated at either side of the phase matching band separated by 30 nm. We demonstrated a sensitivity of 111 dB which is comparable to that of shot-noise-limited optical coherence tomography and an axial resolution of 57 μm (a refractive index of 1.37) with 380 femtosecond probe and pump pulses whose average powers were 1.5 mW and 30 μW, respectively. The proposed technique will open a new way of non-contact and non-invasive three-dimensional structural imaging of biological specimens with ultraweak optical irradiation.
Free Research Field	量子光学・量子情報
Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements	光パルスの時間分解測定に量子パルスゲートを適用することで、試料内部から１回の反射で戻ってくる信号光パルスのみをフェムト秒の分解能で検出する技術を開発した。これにより、試料内部で多重反射して信号光パルスと同時に戻ってくる異なる時間モードを持つ背景雑音を除去し、試料の深部においても高いコントラストの断層画像を得ることができた。本技術は、アルツハイマー病の原因因子の一つと考えられているアミロイドβ凝集塊を非接触・非侵襲で検出可能な技術であり、アルツハイマー病の早期発見や治療薬の開発が期待できる。また、高効率な光検出器が未開発の中赤外領域において、高効率・低雑音な光検出技術を提供するものである。