相干双光子激光雷达突破测距局限

韩国浦项科技大学Yoon-Ho Kim教授团队与朴茨茅斯大学量子科学与技术中心合作进行的新研究揭示了激光雷达（LiDAR）技术的进展，为测量远程物体距离提供了前所未有的灵敏度和精度。这项研究发表在《Physical Review Letters》期刊上。

相干激光雷达一直是测距的基石，但其性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），消除了相干时间带来的范围限制，以实现对远超于相干时间（由光源光谱带宽决定）的远程物体的精确测距。

实验方案利用了简单的热光源，例如太阳光，与双狭缝掩模和两个相机相互作用。双狭缝掩膜由距离超过光源相干长度的两个狭缝A和B组成。由两个狭缝发射的光可能向第一检测器D1传播，通过已知光学长度的路径；或者向未知距离的远程物体传播，并在被其反射后被第二检测器D2检测到。

该研究首次从理论上证明，即使存在湍流，也可以通过测量两个探测器探测到的光强度空间相关性来计算远程物体的距离。

对从双缝到物体的未知距离的灵敏度是两条双光子路径之间相位相关干涉的结果：i）从针孔A到探测器D1和从针孔B到探测器D2；ii）从针孔A到D2从针孔B到 D1。正是在这种相位相关的干涉中对物体距离值通过空间相关测量进行编码和检索。

实验装置示意图

如果两个狭缝中的任何一个闭合，则无法观察到相位相关的干涉。著名的Hanbury-Brown和Twiss（HBT）实验就是这种情况，该实验在1954年为量子光学和量子技术的发展铺平了道路。事实上在标准HBT双光子干涉中，由于当时只有一条狭缝打开，通过对两个探测器探测到的光强度进行相关测量，无法观察到干涉拍频。

当两个狭缝都打开时，可以观察到额外的但与时间相位相关的干涉，这取决于远程物体的未知距离，并且由从两个不同狭缝到两个探测器的两条可能的双光子路径之间的干涉引起。从基本角度来看，这种相位依赖性的产生是一种非常违反直觉的效应，这一点已经在浦项科技大学Yoon-Ho Kim教授的实验室中进行了实验证明。

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鲁棒性，标志着激光雷达技术在具有挑战性的环境中的适用性有了重大飞跃，将来可能应用于自动驾驶汽车、机器人、环境监测等领域。