Przełom w spójnym dwufotonowym LIDAR pokonuje ograniczenia zasięgu

Nowe badania ujawniły postęp w technologii wykrywania i określania odległości światła (LIDAR), zapewniającej niezrównaną czułość i dokładność pomiaru odległości od odległych obiektów.

to wyszukiwanie, opublikowany W Listy z przeglądu fizycznegojest wynikiem współpracy pomiędzy grupą profesora Yun Ho Kima w POSTECH w Korei Południowej a Centrum Nauki i Technologii Kwantowej na Uniwersytecie w Portsmouth.

Spójny LIDAR od dawna jest podstawą pomiaru odległości, ale jego możliwości zostały ograniczone przez czas koherencji źródła światła. W pionierskim kroku badacze wprowadzili dwufotonowy LIDAR, usuwając ograniczenia zasięgu narzucone przez czas koherencji, aby uzyskać precyzyjny i dokładny pomiar odległego obiektu znajdującego się znacznie poza czasem koherencji wynikającym z szerokości pasma widmowego źródła światła.

Badania, zainspirowane niedawnymi pracami kierowanymi przez profesora Vincenzo Tamę, dyrektora Centrum Nauki i Technologii Kwantowej, wykorzystują dwufotonową interferencję światła termicznego poza koherencją. W przeciwieństwie do konwencjonalnego spójnego LIDAR-u, gdzie czas koherencji jest czynnikiem ograniczającym, prążki interferencyjne drugiego rzędu w dwufotonowym spójnym LIDAR-ie pozostają nienaruszone przez krótki czas koherencji źródła światła, który jest określony przez szerokość widma.

Schemat zademonstrowany eksperymentalnie wykorzystuje proste źródło światła termicznego, takie jak światło słoneczne, oddziałujące z maską z podwójną szczeliną z oddzielnymi szczelinami A i B poza spójną długością źródła oraz dwiema kamerami. Światło emitowane z dwóch szczelin podąża ścieżką o znanej długości optycznej w kierunku pierwszego detektora D₁ Lub rozprzestrzenia się w kierunku odległego obiektu w nieznanej odległości i po wykryciu jego odbicia przez drugi detektor D₂.

Najnowsze badania Pod kierunkiem profesora Tamy, we współpracy z Uniwersytetem Bari i POSTECH w Korei Południowej, po raz pierwszy teoretycznie zademonstrował, że nawet w obecności turbulencji możliwe jest oszacowanie odległości odległego obiektu poprzez pomiar korelacji przestrzennych w natężeniu światło wykryte przez oba detektory.

Czułość na nieznaną odległość od podwójnej szczeliny do obiektu wynika z zależnej od fazy interferencji pomiędzy dwiema ścieżkami dwufotonowymi: i) od otworka A do detektora D₁ Z otworu B do detektora D₂; i 2) od otworu A do D₂ Z otworu B do D₁. W przypadku takich zakłóceń zależnych od fazy wartość odległości od obiektu jest kodowana i odzyskiwana poprzez pomiary skorelowane przestrzennie.

Jeśli którakolwiek szczelina jest zamknięta, nie można zaobserwować zakłóceń zależnych od fazy. Tak jest w przypadku słynnego eksperymentu Hanbury’ego-Browna i Twissa (HBT), który w 1954 roku utorował drogę do rozwoju optyki kwantowej i technologii kwantowych. W rzeczywistości, w standardowej dwufotonowej interferencji HBT powstającej w danym momencie tylko z jednej szczeliny, nie można zaobserwować żadnej interferencji, wykonując pomiary korelacyjne natężenia światła w obu detektorach.

Jednakże, gdy obie szczeliny są otwarte, można zaobserwować dodatkowy udział interferencji, ale tym razem zależny od fazy, zależny od nieznanej odległości do odległego obiektu i wynikający z interferencji pomiędzy dwiema możliwymi ścieżkami dwufotonowymi z dwóch różnych szczeliny do dwóch detektorów, jak I spodziewał się zanim.

Pojawienie się takiego wkładu zależnego od fazy jest efektem całkowicie sprzecznym z intuicją z fundamentalnego punktu widzenia i leży u podstaw technologicznego wpływu takiej techniki, co zostało obecnie wykazane eksperymentalnie w laboratorium profesora Yun Ho Kima w Bostic .

Nowe badanie pokazuje, że spójny dwufotonowy LIDAR jest odporny na turbulencje i hałas otoczenia, co stanowi poważny krok naprzód w zakresie zastosowania technologii LIDAR w wymagających środowiskach.

„Ten przełom otwiera nowe zastosowania korelacji dwufotonowej w świetle klasycznym, przesuwając granice tego, co wcześniej uważano za możliwe w technologii LIDAR” – powiedział profesor Tama, współautor badania. „Nasza spójna dwufotonowa technologia LIDAR nie tylko pokonuje ograniczenia zasięgu związane z czasem koherencji, ale także wykazuje niezwykłą odporność na zakłócenia zewnętrzne”.

Wyniki mogą potencjalnie doprowadzić do opracowania nowych technik wykrywania opartych na wykorzystaniu pomiarów korelacyjnych ze światłem termicznym. Aplikacje te można wykorzystać w takich obszarach, jak pojazdy autonomiczne, robotyka, monitorowanie środowiska i nie tylko.

Możliwość pomiaru odległości wykraczających poza czas koherencji ze zwiększoną dokładnością i niezawodnością może zmienić kształt gałęzi przemysłu polegających na dokładnych pomiarach odległości.

Zespół badawczy przewiduje współpracę z partnerami branżowymi i zainteresowanymi stronami w celu dalszego rozwijania i wdrażania spójnego dwufotonowego LIDAR w rzeczywistych scenariuszach.