Una nueva investigación ha revelado un avance en la tecnología de detección y alcance de luz (LIDAR), que ofrece una sensibilidad y precisión incomparables en la medición de la distancia de objetos remotos.
Esta investigación, publicada en Physical Review Letters , es el resultado de una colaboración entre el grupo del profesor Yoon-Ho Kim en POSTECH en Corea del Sur y el Centro de Ciencia y Tecnología Cuántica de la Universidad de Portsmouth.
Coherent LIDAR ha sido durante mucho tiempo una piedra angular en la medición de distancias, pero sus capacidades se han visto limitadas por el tiempo de coherencia de la fuente de luz. En un movimiento pionero, los investigadores han introducido LIDAR de dos fotones, eliminando las limitaciones de alcance impuestas por el tiempo de coherencia, para lograr un alcance exacto y preciso de un objeto remoto situado mucho más allá del tiempo de coherencia dictado por el ancho de banda espectral de la fuente de luz. P>
La investigación, inspirada en trabajos recientes dirigidos por el profesor Vincenzo Tamma, director del Centro de Ciencia y Tecnología Cuánticas, aprovecha la interferencia de dos fotones de la luz térmica más allá de la coherencia. A diferencia del LIDAR coherente tradicional, donde el tiempo de coherencia es un factor limitante, las franjas de interferencia de segundo orden en el LIDAR coherente de dos fotones no se ven afectadas por el corto tiempo de coherencia de la fuente de luz, determinado por su ancho de banda espectral.
El esquema demostrado experimentalmente aprovecha una fuente de luz térmica simple, p. luz solar, interactuando con una máscara de doble rendija con dos rendijas A y B separadas más allá de la longitud coherente de la fuente, y dos cámaras. La luz emitida por las dos rendijas sigue un camino de longitud óptica conocida hacia el primer detector D1 o se propaga hacia un objeto remoto a una distancia desconocida y después de ser reflejado por él es detectado por el segundo detector D2 .
Una investigación reciente dirigida por el profesor Tamma, en colaboración con la Universidad de Bari y POSTECH en Corea del Sur, demostró por primera vez teóricamente que, incluso en presencia de turbulencia, es posible estimar la distancia del objeto remoto midiendo las correlaciones espaciales en el intensidades de la luz detectada por los dos detectores.
La sensibilidad a la distancia desconocida desde la doble rendija hasta el objeto es consecuencia de la interferencia dependiente de la fase entre dos trayectorias de dos fotones:i) desde el orificio A hasta el detector D1 y desde el orificio B al detector D2; y ii) del agujero A al D2 y del agujero B al D1 . Es en estas interferencias dependientes de la fase donde se codifica el valor de la distancia del objeto y se obtiene mediante mediciones correlacionadas espacialmente.
Si cualquiera de las dos rendijas está cerrada, no se pueden observar interferencias dependientes de la fase. Este es el caso del famoso experimento de Hanbury-Brown y Twiss (HBT), que abrió el camino en 1954 al desarrollo de la óptica y las tecnologías cuánticas. De hecho, en la interferencia de dos fotones HBT estándar que surge de las contribuciones de una sola rendija a la vez, no se pueden observar interferencias al realizar mediciones de correlación en las intensidades de luz en los dos detectores.
Sin embargo, cuando ambas rendijas están abiertas se puede observar una contribución de interferencia adicional, pero esta vez dependiente de la fase, que depende de la distancia desconocida del objeto remoto y que surge de la interferencia entre los dos posibles caminos de dos fotones desde las dos rendijas distintivas hacia los dos detectores, como se predijo antes.
El surgimiento de tal contribución dependiente de la fase es un efecto bastante contrario a la intuición desde el punto de vista fundamental y en el corazón mismo del impacto tecnológico de tal técnica, que ahora ha sido demostrado experimentalmente en el laboratorio del profesor Yoon-Ho Kim. en POSTECH.
El nuevo estudio revela que el LIDAR coherente de dos fotones es resistente a las turbulencias y al ruido ambiental, lo que marca un importante avance en la aplicabilidad de la tecnología LIDAR en entornos desafiantes.
"Este avance abre nuevas aplicaciones de la correlación de dos fotones en la luz clásica, ampliando los límites de lo que antes se creía posible en la tecnología LIDAR", dijo el profesor Tamma, coautor del estudio. "Nuestra técnica LIDAR coherente de dos fotones no sólo supera las limitaciones de alcance asociadas con el tiempo de coherencia, sino que también demuestra una notable resistencia frente a perturbaciones externas".
Los hallazgos tienen el potencial de conducir al desarrollo de nuevas tecnologías de detección basadas en el uso de mediciones de correlación con luz térmica. Estos podrían usarse potencialmente para aplicaciones en campos como vehículos autónomos, robótica, monitoreo ambiental y más.
La capacidad de medir distancias más allá del tiempo de coherencia con mayor precisión y confiabilidad tiene el potencial de remodelar las industrias que dependen de mediciones de distancia precisas.
El equipo de investigación prevé la colaboración con socios de la industria y partes interesadas para seguir desarrollando e implementando LIDAR coherente de dos fotones en escenarios del mundo real.
Más información: Chung-Hyun Lee et al, LIDAR coherente de dos fotones con luz incoherente, Cartas de revisión física (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.223602
Proporcionado por la Universidad de Portsmouth
