Ny forskning har avslöjat ett framsteg inom Light Detection and Ranging (LIDAR)-teknologi, som erbjuder oöverträffad känslighet och precision vid mätning av avstånd till avlägsna objekt.
Denna forskning, publicerad i Physical Review Letters , är ett resultat av ett samarbete mellan gruppen av professor Yoon-Ho Kim vid POSTECH i Sydkorea, och Quantum Science and Technology Hub vid University of Portsmouth.
Koherent LIDAR har länge varit en hörnsten i avståndsmätning, men dess möjligheter har begränsats av ljuskällans koherenstid. I ett banbrytande drag har forskare introducerat två-foton LIDAR, vilket eliminerar räckviddsbegränsningarna som åläggs av koherenstiden, för att uppnå exakt och exakt avståndsavstånd för ett avlägset objekt beläget långt bortom koherenstiden som dikteras av ljuskällans spektrala bandbredd.
Forskningen, inspirerad av nyare verk ledda av professor Vincenzo Tamma, chef för Quantum Science and Technology Hub, drar nytta av tvåfotoninterferens av termiskt ljus bortom koherens. Till skillnad från traditionell koherent LIDAR, där koherenstiden är en begränsande faktor, förblir andra ordningens interferensfransar i Coherent Two-Photon LIDAR opåverkade av ljuskällans korta koherenstid, bestämt av dess spektrala bandbredd.
Det experimentellt demonstrerade schemat drar fördel av en enkel termisk ljuskälla, t.ex. solljus, som interagerar med en dubbel slitsmask med två slitsar A och B separerade bortom källans koherenta längd, och två kameror. Ljuset som emitteras av de två slitsarna tar antingen en väg med känd optisk längd mot den första detektorn D1 eller fortplantar sig mot ett avlägset objekt på ett okänt avstånd och efter att ha reflekterats av det detekteras av den andra detektorn D2 .
Ny forskning ledd av professor Tamma, i samarbete med University of Bari och POSTECH i Sydkorea, visade först teoretiskt att det även i närvaro av turbulens är möjligt att uppskatta avståndet till det avlägsna objektet genom att mäta de rumsliga korrelationerna i intensiteter av ljuset som detekteras av de två detektorerna.
Känsligheten för det okända avståndet från dubbelslitsen till objektet är en konsekvens av den fasberoende interferensen mellan två tvåfotonvägar:i) från nålhål A till detektor D1 och från pinhole B till detektor D2; och ii) från nålhål A till D2 och från pinhole B till D1 . Det är i en sådan fasberoende interferens som värdet på objektets avstånd kodas och hämtas genom rumsligt korrelerade mätningar.
Om någon av de två slitsarna är stängda kan ingen fasberoende interferens observeras. Detta är fallet med det berömda experimentet Hanbury-Brown and Twiss (HBT), som banade vägen 1954 för utvecklingen av kvantoptik och kvantteknologi. Faktum är att i standard HBT-tvåfotoninterferens som härrör från bidragen från endast en enda slits åt gången, kan inga interferensslag observeras genom att utföra korrelationsmätningar i ljusintensiteterna vid de två detektorerna.
Icke desto mindre, när båda slitsarna är öppna kan man observera ytterligare ett, men denna gång fasberoende, interferensbidrag beroende på det okända avståndet för det avlägsna objektet och som härrör från interferensen mellan de två möjliga tvåfotonvägarna från de två distinkta slitsarna till de två detektorerna, som förutspåtts tidigare.
Uppkomsten av ett sådant fasberoende bidrag är en ganska kontraintuitiv effekt ur den grundläggande synvinkeln och i själva hjärtat av den tekniska effekten av en sådan teknik, som nu har demonstrerats experimentellt i professor Yoon-Ho Kims laboratorium på POSTECH.
Den nya studien avslöjar att Coherent Two-Photon LIDAR är robust mot turbulens och omgivningsljud, vilket markerar ett betydande steg framåt i användbarheten av LIDAR-teknik i utmanande miljöer.
"Detta genombrott öppnar för nya tillämpningar av två-foton-korrelation i klassiskt ljus, och tänjer på gränserna för vad som tidigare troddes möjligt inom LIDAR-teknologin", säger professor Tamma, medförfattare till studien. "Vår Coherent Two-Photon LIDAR-teknik övervinner inte bara räckviddsbegränsningarna förknippade med koherenstid utan visar också en anmärkningsvärd motståndskraft mot yttre störningar."
Fynden har potential att leda till utvecklingen av nya avkänningsteknologier baserade på användning av korrelationsmätningar med termiskt ljus. Dessa skulle potentiellt kunna användas för tillämpningar inom områden som autonoma fordon, robotteknik, miljöövervakning och mer.
Förmågan att mäta avstånd bortom koherenstiden med ökad noggrannhet och tillförlitlighet har potential att omforma industrier som är beroende av exakta avståndsmätningar.
Forskargruppen föreställer sig samarbete med industripartners och intressenter för att vidareutveckla och implementera Coherent Two-Photon LIDAR i verkliga scenarier.
Mer information: Chung-Hyun Lee et al, Coherent Two-Photon LIDAR with Incoherent Light, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.223602
Tillhandahålls av University of Portsmouth
