Gennembrud i sammenhængende to-foton LIDAR overvinder rækkeviddebegrænsninger

Ny forskning har afsløret et fremskridt inden for Light Detection and Ranging (LIDAR) teknologi, der tilbyder uovertruffen følsomhed og præcision ved måling af afstanden mellem fjerne objekter.

Denne forskning, offentliggjort i Physical Review Letters , er et resultat af et samarbejde mellem gruppen af ​​professor Yoon-Ho Kim ved POSTECH i Sydkorea og Quantum Science and Technology Hub ved University of Portsmouth.

Kohærent LIDAR har længe været en hjørnesten i afstandsmåling, men dens muligheder er blevet begrænset af lyskildens sammenhængstid. I et banebrydende træk har forskere introduceret to-foton LIDAR, hvilket eliminerer rækkeviddebegrænsningerne pålagt af kohærenstid, for at opnå nøjagtig og præcis rækkevidde af et fjerntliggende objekt beliggende langt ud over kohærenstiden dikteret af lyskildens spektrale båndbredde.

Forskningen, inspireret af nyere værker ledet af professor Vincenzo Tamma, direktør for Quantum Science and Technology Hub, udnytter to-foton-interferens af termisk lys ud over kohærens. I modsætning til traditionel kohærent LIDAR, hvor kohærenstiden er en begrænsende faktor, forbliver andenordens interferenskanter i Coherent Two-Photon LIDAR upåvirket af lyskildens korte kohærenstid, bestemt af dens spektrale båndbredde.

Det eksperimentelt demonstrerede skema udnytter en simpel termisk lyskilde, f.eks. sollys, der interagerer med en dobbelt spaltemaske med to spalter A og B adskilt ud over den sammenhængende længde af kilden, og to kameraer. Lyset, der udsendes af de to spalter, tager enten en vej med kendt optisk længde mod den første detektor D₁ eller forplanter sig mod et fjerntliggende objekt i en ukendt afstand og efter at være blevet reflekteret af det detekteres af den anden detektor D₂ .

Nyere forskning ledet af professor Tamma, i samarbejde med University of Bari og POSTECH i Sydkorea, viste først teoretisk, at det, selv i nærvær af turbulens, er muligt at estimere afstanden til det fjerne objekt ved at måle de rumlige korrelationer i intensiteter af lyset detekteret af de to detektorer.

Følsomheden over for den ukendte afstand fra dobbeltspalten til objektet er en konsekvens af den faseafhængige interferens mellem to to-fotonbaner:i) fra nålehul A til detektor D₁ og fra pinhole B til detektor D₂; og ii) fra pinhole A til D₂ og fra pinhole B til D₁ . Det er i en sådan faseafhængig interferens, at værdien af ​​objektets afstand kodes og hentes gennem rumligt korrelerede målinger.

Hvis en af ​​de to spalter er lukket, kan der ikke observeres faseafhængig interferens. Dette er tilfældet med det berømte Hanbury-Brown and Twiss (HBT) eksperiment, som banede vejen i 1954 til udviklingen af ​​kvanteoptik og kvanteteknologier. Faktisk, i standard HBT to-foton interferens, der opstår fra bidragene fra kun en enkelt spalte på det tidspunkt, kan ingen interferensslag observeres ved at udføre korrelationsmålinger i lysintensiteterne ved de to detektorer.

Ikke desto mindre, når begge spalter er åbne, kan man observere et yderligere, men denne gang faseafhængigt, interferensbidrag afhængigt af den ukendte afstand af det fjerne objekt og opstået af interferensen mellem de to mulige to-fotonbaner fra de to særprægede spalter til de to detektorer, som forudsagt før.

Opkomsten af ​​et sådant faseafhængigt bidrag er en ganske kontraintuitiv effekt fra det grundlæggende synspunkt og i hjertet af den teknologiske virkning af en sådan teknik, som nu er blevet eksperimentelt demonstreret i professor Yoon-Ho Kims laboratorium hos POSTECH.

Den nye undersøgelse afslører, at Coherent Two-Photon LIDAR er robust over for turbulens og omgivende støj, hvilket markerer et betydeligt spring fremad med hensyn til anvendeligheden af ​​LIDAR-teknologi i udfordrende miljøer.

"Dette gennembrud åbner op for nye anvendelser af to-foton-korrelation i klassisk lys, og skubber grænserne for, hvad man tidligere troede var muligt i LIDAR-teknologi," sagde studiets medforfatter professor Tamma. "Vores Coherent Two-Photon LIDAR-teknik overvinder ikke kun rækkeviddebegrænsningerne forbundet med kohærenstid, men demonstrerer også bemærkelsesværdig modstandsdygtighed over for eksterne forstyrrelser."

Resultaterne har potentiale til at føre til udvikling af nye sanseteknologier baseret på brugen af ​​korrelationsmålinger med termisk lys. Disse kunne potentielt bruges til applikationer inden for områder som autonome køretøjer, robotteknologi, miljøovervågning og mere.

Evnen til at måle afstande ud over kohærenstiden med øget nøjagtighed og pålidelighed har potentialet til at omforme industrier, der er afhængige af præcise afstandsmålinger.

Forskerteamet forestiller sig samarbejde med industripartnere og interessenter for at videreudvikle og implementere Coherent Two-Photon LIDAR i virkelige scenarier.

Flere oplysninger: Chung-Hyun Lee et al., Kohærent To-Photon LIDAR with Incoherent Light, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.223602

Leveret af University of Portsmouth