研究人员开发相干双光子激光雷达 可突破远程物体测距限制

盖世汽车讯 据外媒报道，韩国浦项科技大学（POSTECH）Yoon-Ho Kim教授的团队与朴茨茅斯大学（University of Portsmouth）量子科学与技术中心合作进行的新研究揭示了激光探测和测距（LIDAR）技术的进展，在测量远程物体的距离方面提供了前所未有的灵敏度和精度。这项研究发表在期刊《物理评论快报（Physical Review Letters）》上。

（图片来源：journals.aps.org）

长期以来，相干激光雷达（Coherent LIDAR）一直是距离测量的基石，但其功能受到光源相干时间的限制。研究人员开创性地推出了双光子激光雷达（two-photon LIDAR），可以消除由相干时间带来的范围限制，以实现对远远超出相干时间（由光源光谱带宽决定）的远程物体的精确测距。

这项研究受到量子科学与技术中心（Quantum Science and Technology Hub）负责人Vincenzo Tamma教授最近领导的工作的启发，利用了超越相干性的热光双光子干涉。对传统相干激光雷达来说，相干时间是一个限制因素。与之不同，相干双光子激光雷达中的二级干涉条纹（second-order interference fringes）不受光源的短相干时间（由其光谱带宽决定）的影响。

这一经实验证明的方案利用简单的热光源（例如太阳光）与双狭缝掩模和两个摄像头相互作用，其中A和B两个狭缝分开并超过光源的相干长度。两个狭缝发出的光或者沿着已知光学长度路径射向第一探测器D1，或向未知距离处的远程物体传播，经远程物体反射后被第二探测器D2检测。

最近，Tamma教授与巴里大学（University of Bari）和韩国浦项科技大学合作进行的研究首次从理论上证明，即使在存在湍流（turbulence）的情况下，也可以通过测量由两个探测器探测到的光强度的空间相关性来评估远程物体的距离。

对从双狭缝到物体的未知距离保持灵敏度，是两个双光子路径之间相位相关干涉（phase-dependent interference）的结果：i）从针孔A到探测器D1和从针孔B到探测器D2；和ii）从针孔A到D2和从针孔B到D1。正是在这种相位相关干涉中，通过空间相关测量对目标的距离值进行编码和检索。

如果两个狭缝中的任何一个关闭，就观察不到相位相关干涉。这就是著名的汉伯里布朗及特维斯（HBT）实验事例，该实验在1954年为量子光学和量子技术的发展铺平了道路。事实上，在当时的标准HBT中，只由一个狭缝的贡献产生双光子干涉，通过对两个探测器的光强度进行相关测量，可以观察到没有干涉振动（interference beatings）。

尽管如此，当两个狭缝都打开时，人们可以观察到额外的、但此次与相位相关的干涉贡献（interference contribution）。这取决于远程物体的未知距离，并且是由两个可能的双光子路径（从两个不同的狭缝到两个探测器）之间的干涉引起的，正如之前预测的那样。

从基本角度来看，这种相位相关贡献的出现是一种相当反直觉的效应，也是这种技术的影响核心。现在，这已在浦项科技大学Yoon-Ho Kim教授的实验室中得到了实验证明。

这项新研究表明，相干双光子激光雷达对湍流和环境噪声具有很强的适应能力。这标志着激光雷达技术在适应挑战性环境方面取得了重大飞跃。该研究的合著者Tamma教授表示：“这一突破开启了双光子关联在经典光中的新应用，突破了以前认为的激光雷达技术的可能极限。这种相干双光子激光雷达技术不仅克服了与相干时间有关的范围限制，而且对外部干扰表现出卓越的弹性。”

这些发现有望促进新型传感技术（基于使用热光的相关性测量）的发展，可能用于自动驾驶汽车、机器人、环境监测等领域。这些技术能够以更高的精度和可靠性测量相干时间以外的距离，可能重塑需要精密测距的行业。该研究团队希望与行业合作伙伴和利益相关者合作，在现实场景中进一步开发和实施相干双光子激光雷达。