Nieuw onderzoek heeft een vooruitgang in Light Detection and Ranging (LIDAR)-technologie onthuld, die ongeëvenaarde gevoeligheid en precisie biedt bij het meten van de afstand tot objecten op afstand.

Dit onderzoek is gepubliceerd in Physical Review Letters , is het resultaat van een samenwerking tussen de groep van professor Yoon-Ho Kim bij POSTECH in Zuid-Korea en de Quantum Science and Technology Hub van de Universiteit van Portsmouth.

Coherente LIDAR is lange tijd een hoeksteen geweest bij afstandsmeting, maar de mogelijkheden ervan zijn beperkt door de coherentietijd van de lichtbron. In een baanbrekende zet hebben onderzoekers LIDAR met twee fotonen geïntroduceerd, waardoor de bereikbeperkingen die door de coherentietijd worden opgelegd worden geëlimineerd, om een ​​nauwkeurig en nauwkeurig bereik te bereiken van een object op afstand dat zich ver buiten de coherentietijd bevindt die wordt gedicteerd door de spectrale bandbreedte van de lichtbron. P>

Het onderzoek, geïnspireerd door recent werk onder leiding van professor Vincenzo Tamma, directeur van de Quantum Science and Technology Hub, maakt gebruik van twee-fotoneninterferentie van thermisch licht die verder gaat dan coherentie. In tegenstelling tot traditionele coherente LIDAR, waarbij de coherentietijd een beperkende factor is, blijven de interferentieranden van de tweede orde in Coherent Two-Photon LIDAR onaangetast door de korte coherentietijd van de lichtbron, bepaald door zijn spectrale bandbreedte.

Het experimenteel gedemonstreerde schema maakt gebruik van een eenvoudige thermische lichtbron, b.v. zonlicht, in wisselwerking met een masker met dubbele spleten met twee spleten A en B gescheiden buiten de coherente lengte van de bron, en twee camera's. Het door de twee spleten uitgezonden licht volgt een pad met een bekende optische lengte naar de eerste detector D₁ of plant zich voort naar een object op afstand op een onbekende afstand en wordt, nadat het erdoor is gereflecteerd, gedetecteerd door de tweede detector D₂ .

Recent onderzoek onder leiding van professor Tamma, in samenwerking met de Universiteit van Bari en POSTECH in Zuid-Korea, heeft voor het eerst theoretisch aangetoond dat het, zelfs in de aanwezigheid van turbulentie, mogelijk is om de afstand tot het afgelegen object te schatten door de ruimtelijke correlaties in de omgeving te meten. intensiteiten van het licht dat door de twee detectoren wordt gedetecteerd.

De gevoeligheid voor de onbekende afstand van de dubbele spleet tot het object is een gevolg van de fase-afhankelijke interferentie tussen twee twee-fotonenpaden:i) van pinhole A naar detector D₁ en van pinhole B naar detector D₂; en ii) van gaatje A naar D₂ en van pinhole B naar D₁ . Het is bij een dergelijke fase-afhankelijke interferentie dat de waarde van de afstand van het object wordt gecodeerd en opgehaald via ruimtelijk gecorreleerde metingen.

Als een van de twee spleten gesloten is, kan er geen fase-afhankelijke interferentie worden waargenomen. Dit is het geval met het beroemde experiment van Hanbury-Brown en Twiss (HBT), dat in 1954 de weg vrijmaakte voor de ontwikkeling van kwantumoptica en kwantumtechnologieën. Bij standaard HBT-interferentie met twee fotonen die voortkomt uit de bijdragen van slechts één enkele spleet op dat moment, kunnen er geen interferentie-zwevingen worden waargenomen door correlatiemetingen uit te voeren in de lichtintensiteiten bij de twee detectoren.

Desalniettemin kan men, wanneer beide spleten open zijn, een extra, maar deze keer fase-afhankelijke, interferentiebijdrage waarnemen, afhankelijk van de onbekende afstand van het verre object en voortkomend uit de interferentie tussen de twee mogelijke twee-fotonenpaden van de twee onderscheidende spleten naar de twee detectoren, zoals eerder voorspeld.

Het ontstaan ​​van een dergelijke fase-afhankelijke bijdrage is een nogal contra-intuïtief effect vanuit fundamenteel oogpunt en vormt de kern van de technologische impact van een dergelijke techniek, die nu experimenteel is aangetoond in het laboratorium van professor Yoon-Ho Kim. bij POSTECH.

Uit het nieuwe onderzoek blijkt dat Coherent Two-Photon LIDAR robuust is tegen turbulentie en omgevingsgeluid, wat een aanzienlijke sprong voorwaarts betekent in de toepasbaarheid van LIDAR-technologie in uitdagende omgevingen.

"Deze doorbraak opent nieuwe toepassingen van de correlatie tussen twee fotonen in klassiek licht, waardoor de grenzen worden verlegd van wat eerder voor mogelijk werd gehouden in de LIDAR-technologie", aldus co-auteur van de studie, professor Tamma. "Onze Coherent Two-Photon LIDAR-techniek overwint niet alleen de bereikbeperkingen die gepaard gaan met coherentietijd, maar demonstreert ook opmerkelijke veerkracht in het licht van externe verstoringen."

De bevindingen hebben het potentieel om te leiden tot de ontwikkeling van nieuwe detectietechnologieën gebaseerd op het gebruik van correlatiemetingen met thermisch licht. Deze kunnen mogelijk worden gebruikt voor toepassingen op gebieden als autonome voertuigen, robotica, milieumonitoring en meer.

De mogelijkheid om afstanden buiten de coherentietijd te meten met grotere nauwkeurigheid en betrouwbaarheid heeft het potentieel om industrieën die afhankelijk zijn van nauwkeurige afstandsmetingen een nieuwe vorm te geven.

Het onderzoeksteam overweegt samenwerking met industriële partners en belanghebbenden om Coherent Two-Photon LIDAR verder te ontwikkelen en te implementeren in realistische scenario's.

Meer informatie: Chung-Hyun Lee et al, Coherente LIDAR met twee fotonen en onsamenhangend licht, Fysieke recensiebrieven (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.223602

Aangeboden door Universiteit van Portsmouth