Схема экспериментальной установки.
Фото: Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.223602.

Новое исследование продемонстрировало достижение в технологии обнаружения света и определения дальности (LIDAR), обеспечивающее беспрецедентную чувствительность и точность измерения расстояния до удаленных объектов.

Это исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters, является результатом сотрудничества группы профессора Юн-Хо Кима из POSTECH в Южной Корее и Центра квантовой науки и технологий Портсмутского университета.

Когерентный лидар долгое время был краеугольным камнем в измерении расстояний, но его возможности были ограничены временем когерентности источника света. Сделав новаторский шаг, исследователи внедрили двухфотонный лидар, устранив ограничения дальности, налагаемые временем когерентности, для достижения точного и точного определения местоположения удаленного объекта, находящегося далеко за пределами времени когерентности, диктуемого спектральной полосой пропускания источника света.

Исследование, вдохновленное недавними работами профессора Винченцо Таммы, директора Центра квантовой науки и технологий, использует двухфотонную интерференцию теплового света за пределами когерентности. В отличие от традиционного когерентного лидара, где время когерентности является ограничивающим фактором, интерференционные полосы второго порядка в когерентном двухфотонном лидаре остаются незатронутыми коротким временем когерентности источника света, определяемым его спектральной полосой пропускания.

Экспериментально продемонстрированная схема использует преимущества простого источника теплового света, например солнечного света, взаимодействующего с двухщелевой маской с двумя щелями A и B, разделенными за пределами когерентной длины источника, и двумя камерами. Свет, излучаемый двумя щелями, либо проходит путь известной оптической длины к первому детектору D1, либо распространяется к удаленному объекту на неизвестном расстоянии и после отражения от него обнаруживается вторым детектором D2.

Недавнее исследование, проведенное профессором Таммой в сотрудничестве с Университетом Бари и POSTECH в Южной Корее, впервые теоретически продемонстрировало, что даже при наличии турбулентности можно оценить расстояние до удаленного объекта путем измерения пространственных корреляций в пространстве. интенсивность света, регистрируемого двумя детекторами.

Чувствительность к неизвестному расстоянию от двойной щели до объекта является следствием фазозависимой интерференции между двумя двухфотонными путями: i) от отверстия A до детектора D 1 и от отверстия B до детектора D 2 ; и ii) от точечного отверстия A к D 2 и от точечного отверстия B к D 1 . Именно при такой фазозависимой интерференции значение расстояния до объекта кодируется и извлекается посредством пространственно-коррелированных измерений.

Если одна из двух щелей закрыта, никаких фазозависимых помех наблюдаться не может. Так обстоит дело со знаменитым экспериментом Хэнбери-Брауна и Твисса (HBT), который в 1954 году проложил путь к развитию квантовой оптики и квантовых технологий. Действительно, в стандартной двухфотонной интерференции HBT, возникающей из-за вклада только одной щели в данный момент, никакие интерференционные биения не могут наблюдаться при выполнении корреляционных измерений интенсивности света на двух детекторах.

Тем не менее, когда обе щели открыты, можно наблюдать дополнительный, но на этот раз фазозависимый, интерференционный вклад, зависящий от неизвестного расстояния до удаленного объекта и возникающий из-за интерференции между двумя возможными двухфотонными путями от двух различных щелей, как и было предсказано ранее.

Возникновение такого фазозависимого вклада является совершенно нелогичным эффектом с фундаментальной точки зрения и лежит в основе технологического воздействия такого метода, который сейчас экспериментально продемонстрирован в лаборатории профессора Юн-Хо Кима.

Новое исследование показывает, что когерентный двухфотонный лидар устойчив к турбулентности и окружающему шуму, что знаменует собой значительный шаг вперед в применимости технологии лидар в сложных условиях.

«Этот прорыв открывает новые возможности применения двухфотонной корреляции в классическом свете, расширяя границы того, что ранее считалось возможным в технологии LIDAR», — сказал соавтор исследования профессор Тамма. «Наша методика когерентного двухфотонного лидара не только преодолевает ограничения дальности действия, связанные со временем когерентности, но также демонстрирует замечательную устойчивость перед лицом внешних возмущений».

Полученные результаты могут привести к разработке новых сенсорных технологий, основанных на использовании корреляционных измерений с тепловым светом. Их потенциально можно использовать для применения в таких областях, как автономные транспортные средства, робототехника, мониторинг окружающей среды и многое другое.

Способность измерять расстояния за пределами времени когерентности с повышенной точностью и надежностью может изменить облик отраслей, зависящих от точных измерений расстояний.

Исследовательская группа предполагает сотрудничество с отраслевыми партнерами и заинтересованными сторонами для дальнейшей разработки и внедрения когерентного двухфотонного лидара в реальных сценариях.