相干双光子激光雷达的突破克服了距离限制
发布时间：2023-12-08 00:00:04 阅读数： 142
最新研究揭示了光探测与测距（LIDAR）技术的进步，该技术在测量远程物体距离方面具有无与伦比的灵敏度和精确度。
这项发表在《Physical Review Letters》上的研究是韩国 POSTECH 的金允浩（Yoon-Ho Kim）教授小组与朴茨茅斯大学量子科技中心（Quantum Science and Technology Hub）合作的成果。
实验装置示意图。资料来源：《Physical Review Letters》（2023 年）。
长期以来，相干激光雷达一直是距离测量的基石，但其功能一直受到光源相干时间的限制。研究人员开创性地引入了双光子激光雷达，消除了相干时间对测距的限制，实现了对远处物体的精确测距，测距距离远远超过了光源光谱带宽所决定的相干时间。
这项研究受到量子科技中心主任Vincenzo Tamma教授近期工作的启发，利用了超越相干的热光双光子干涉。与相干时间是限制因素的传统相干激光雷达不同，相干双光子激光雷达中的二阶干涉条纹不受光源相干时间短（由其光谱带宽决定）的影响。
实验演示的方案利用了一个简单的热光源（如太阳光）与一个双狭缝掩膜相互作用，双狭缝掩膜的两个狭缝 A 和 B 相隔的距离超过了光源的相干长度，同时还利用了两个摄像头。由两个狭缝发出的光要么沿着已知光长的路径射向第一个检测器 D1，要么射向未知距离的远处物体，并在被其反射后被第二个检测器 D2 检测到。
最近，Tamma 教授与巴里大学和韩国 POSTECH 合作开展的研究首次从理论上证明，即使存在湍流，也可以通过测量两个探测器检测到的光强度的空间相关性来估计远处物体的距离。
对从双缝到物体的未知距离的灵敏度是两个双光子路径之间相位相关干扰的结果：i) 从针孔 A 到探测器 D1，从针孔 B 到探测器 D2；ii) 从针孔 A 到 D2，从针孔 B 到 D1。正是在这种相位相关的干涉中，物体的距离值被编码，并通过空间相关测量进行检索。
如果两个狭缝中的任何一个关闭，就无法观察到与相位相关的干涉。这就是著名的汉伯里-布朗和特维斯（HBT）实验，它在 1954 年为量子光学和量子技术的发展铺平了道路。事实上，在标准的 HBT 双光子干涉中，由于当时只有一个狭缝的贡献，通过对两个探测器的光强度进行相关测量，无法观察到干涉拍动。
尽管如此，当两个狭缝都打开时，我们可以观察到额外的干涉贡献，但此时的干涉贡献与相位有关，取决于远处物体的未知距离，并且如之前预测的那样，产生于从两个不同狭缝到两个探测器的两条可能的双光子路径之间的干涉。
这种与相位有关的贡献从根本上说是一种非常反直觉的效应，也是这种技术的核心技术，现在已经在 POSTECH 的金允浩教授实验室得到了实验证明。
这项新研究揭示了相干双光子激光雷达对湍流和环境噪声的抗干扰能力，标志着激光雷达技术在挑战性环境中的应用取得了重大飞跃。
"这项研究的共同作者塔马教授说："这一突破开辟了经典光中双光子相关性的新应用，突破了以前认为激光雷达技术可能实现的极限。"我们的相干双光子激光雷达技术不仅克服了与相干时间相关的范围限制，而且在面对外部干扰时也表现出了非凡的适应能力"。
这些发现有可能促进基于热光相关测量的新型传感技术的发展。这些技术有可能应用于自动驾驶汽车、机器人、环境监测等领域。
能够以更高的精度和可靠性测量相干时间以外的距离，有可能重塑依赖精确测量距离的行业。
研究团队计划与行业合作伙伴和利益相关者合作，进一步开发并在实际应用中实施相干双光子激光雷达。
