Uma nova pesquisa revelou um avanço na tecnologia de detecção e alcance de luz (LIDAR), oferecendo sensibilidade e precisão incomparáveis ​​na medição da distância de objetos remotos.



Esta pesquisa, publicada em Physical Review Letters , é resultado de uma colaboração entre o grupo do professor Yoon-Ho Kim da POSTECH na Coreia do Sul e o Quantum Science and Technology Hub da Universidade de Portsmouth.

O LIDAR coerente tem sido uma pedra angular na medição de distâncias, mas suas capacidades foram limitadas pelo tempo de coerência da fonte de luz. Num movimento pioneiro, os investigadores introduziram o LIDAR de dois fotões, eliminando as limitações de alcance impostas pelo tempo de coerência, para obter um alcance preciso e preciso de um objeto remoto situado muito além do tempo de coerência ditado pela largura de banda espectral da fonte de luz.

A pesquisa, inspirada em trabalhos recentes liderados pelo Professor Vincenzo Tamma, Diretor do Quantum Science and Technology Hub, capitaliza a interferência de dois fótons da luz térmica além da coerência. Ao contrário do LIDAR coerente tradicional, onde o tempo de coerência é um fator limitante, as franjas de interferência de segunda ordem no LIDAR coerente de dois fótons permanecem não afetadas pelo curto tempo de coerência da fonte de luz, determinado por sua largura de banda espectral.

O esquema demonstrado experimentalmente aproveita uma fonte de luz térmica simples, por ex. luz solar, interagindo com uma máscara de fenda dupla com duas fendas A e B separadas além do comprimento coerente da fonte, e duas câmeras. A luz emitida pelas duas fendas segue um caminho de comprimento óptico conhecido em direção ao primeiro detector D₁ ou se propaga em direção a um objeto remoto a uma distância desconhecida e após ser refletido por ele é detectado pelo segundo detector D₂ .

Uma pesquisa recente liderada pelo Professor Tamma, em colaboração com a Universidade de Bari e POSTECH na Coreia do Sul, demonstrou pela primeira vez teoricamente que, mesmo na presença de turbulência, é possível estimar a distância do objeto remoto medindo as correlações espaciais no intensidades da luz detectada pelos dois detectores.

A sensibilidade à distância desconhecida da fenda dupla ao objeto é uma consequência da interferência dependente da fase entre dois caminhos de dois fótons:i) do furo A ao detector D₁ e do pinhole B ao detector D₂; e ii) do furo A a D₂ e do furo B para D₁ . É nesta interferência dependente de fase que o valor da distância do objeto é codificado e recuperado através de medições espacialmente correlacionadas.

Se qualquer uma das duas fendas estiver fechada, nenhuma interferência dependente de fase poderá ser observada. É o caso do famoso experimento Hanbury-Brown e Twiss (HBT), que abriu caminho em 1954 para o desenvolvimento da óptica quântica e das tecnologias quânticas. De fato, na interferência de dois fótons HBT padrão resultante das contribuições de apenas uma única fenda no momento, nenhuma interferência pode ser observada realizando medições de correlação nas intensidades de luz nos dois detectores.

No entanto, quando ambas as fendas estão abertas, pode-se observar uma contribuição de interferência adicional, mas desta vez dependente da fase, dependendo da distância desconhecida do objeto remoto e decorrente da interferência entre os dois possíveis caminhos de dois fótons das duas fendas distintas para os dois detectores, como previsto anteriormente.

O surgimento de tal contribuição dependente da fase é um efeito bastante contra-intuitivo do ponto de vista fundamental e está no cerne do impacto tecnológico de tal técnica, que foi agora demonstrada experimentalmente no laboratório do Professor Yoon-Ho Kim na POSTECH.

O novo estudo revela que o LIDAR Coherent Two-Photon é robusto à turbulência e ao ruído ambiente, marcando um salto significativo na aplicabilidade da tecnologia LIDAR em ambientes desafiadores.

“Esta descoberta abre novas aplicações de correlação de dois fótons na luz clássica, ultrapassando os limites do que anteriormente se pensava ser possível na tecnologia LIDAR”, disse o co-autor do estudo, Professor Tamma. "Nossa técnica LIDAR Coerente de Dois Fótons não apenas supera as limitações de alcance associadas ao tempo de coerência, mas também demonstra notável resiliência diante de perturbações externas."

As descobertas têm o potencial de levar ao desenvolvimento de novas tecnologias de detecção baseadas no uso de medições de correlação com luz térmica. Eles poderiam ser potencialmente usados ​​para aplicações em áreas como veículos autônomos, robótica, monitoramento ambiental e muito mais.

A capacidade de medir distâncias além do tempo de coerência com maior precisão e confiabilidade tem o potencial de remodelar indústrias que dependem de medições precisas de distância.

A equipe de pesquisa prevê a colaboração com parceiros da indústria e partes interessadas para desenvolver e implementar ainda mais o LIDAR coerente de dois fótons em cenários do mundo real.

Mais informações: Chung-Hyun Lee et al, Coherent Two-Photon LIDAR with Incoherent Light, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.223602
Fornecido pela Universidade de Portsmouth