Una nuova ricerca ha svelato un progresso nella tecnologia LIDAR (Light Detection and Ranging), offrendo sensibilità e precisione senza precedenti nella misurazione della distanza di oggetti remoti.
Questa ricerca, pubblicata in Physical Review Letters , è il risultato di una collaborazione tra il gruppo del professor Yoon-Ho Kim presso POSTECH in Corea del Sud e il Quantum Science and Technology Hub dell'Università di Portsmouth.
Il LIDAR coerente è stato per lungo tempo una pietra miliare nella misurazione della distanza, ma le sue capacità sono state limitate dal tempo di coerenza della sorgente luminosa. Con una mossa pionieristica, i ricercatori hanno introdotto il LIDAR a due fotoni, eliminando le limitazioni di portata imposte dal tempo di coerenza, per ottenere una portata accurata e precisa di un oggetto remoto situato ben oltre il tempo di coerenza dettato dalla larghezza di banda spettrale della sorgente luminosa.
La ricerca, ispirata a recenti lavori guidati dal professor Vincenzo Tamma, direttore del Quantum Science and Technology Hub, sfrutta l’interferenza di due fotoni della luce termica oltre la coerenza. A differenza del LIDAR coerente tradizionale, dove il tempo di coerenza è un fattore limitante, le frange di interferenza del secondo ordine nel LIDAR coerente a due fotoni rimangono inalterate dal breve tempo di coerenza della sorgente luminosa, determinato dalla sua larghezza di banda spettrale.
Lo schema dimostrato sperimentalmente sfrutta una semplice sorgente di luce termica, ad es. luce solare, che interagisce con una maschera a doppia fenditura con due fenditure A e B separate oltre la lunghezza coerente della sorgente, e due telecamere. La luce emessa dalle due fenditure percorre un percorso di lunghezza ottica nota verso il primo rivelatore D1 oppure si propaga verso un oggetto remoto a distanza sconosciuta e dopo essere stato riflesso da esso viene rilevato dal secondo rilevatore D2 .
Una recente ricerca condotta dal professor Tamma, in collaborazione con l'Università di Bari e POSTECH in Corea del Sud, ha dimostrato per la prima volta teoricamente che, anche in presenza di turbolenza, è possibile stimare la distanza dell'oggetto remoto misurando le correlazioni spaziali nel intensità della luce rilevata dai due rilevatori.
La sensibilità alla distanza sconosciuta dalla doppia fenditura all'oggetto è una conseguenza dell'interferenza dipendente dalla fase tra due percorsi di due fotoni:i) dal foro stenopeico A al rivelatore D1 e dal foro stenopeico B al rilevatore D2; e ii) dal foro stenopeico A a D2 e dal foro stenopeico B a D1 . È in tale interferenza fase-dipendente che il valore della distanza dell'oggetto viene codificato e recuperato attraverso misurazioni spazialmente correlate.
Se una delle due fenditure è chiusa, non si può osservare alcuna interferenza dipendente dalla fase. È il caso del famoso esperimento Hanbury-Brown e Twiss (HBT), che aprì la strada nel 1954 allo sviluppo dell’ottica quantistica e delle tecnologie quantistiche. Infatti, nell'interferenza standard a due fotoni HBT derivante dai contributi di una sola fenditura alla volta, non è possibile osservare alcuna battitura di interferenza eseguendo misurazioni di correlazione nelle intensità della luce sui due rilevatori.
Tuttavia, quando entrambe le fenditure sono aperte, si può osservare un contributo di interferenza aggiuntivo, ma questa volta dipendente dalla fase, che dipende dalla distanza sconosciuta dell'oggetto remoto e derivante dall'interferenza tra i due possibili percorsi di due fotoni dalle due fenditure distintive a i due rilevatori, come previsto prima.
L'insorgere di tale contributo dipendente dalla fase è un effetto del tutto controintuitivo dal punto di vista fondamentale e al centro dell'impatto tecnologico di tale tecnica, che è stato ora dimostrato sperimentalmente nel laboratorio del professor Yoon-Ho Kim presso POSTECH.
Il nuovo studio rivela che il Coherent Two-Photon LIDAR è resistente alla turbolenza e al rumore ambientale, segnando un significativo passo avanti nell'applicabilità della tecnologia LIDAR in ambienti difficili.
"Questa svolta apre nuove applicazioni della correlazione a due fotoni nella luce classica, ampliando i confini di ciò che in precedenza si riteneva possibile nella tecnologia LIDAR", ha affermato il coautore dello studio, il professor Tamma. "La nostra tecnica LIDAR coerente a due fotoni non solo supera i limiti di portata associati al tempo di coerenza, ma dimostra anche una notevole resilienza di fronte ai disturbi esterni."
I risultati potrebbero potenzialmente portare allo sviluppo di nuove tecnologie di rilevamento basate sull'uso di misurazioni di correlazione con la luce termica. Questi potrebbero essere potenzialmente utilizzati per applicazioni in campi quali veicoli autonomi, robotica, monitoraggio ambientale e altro ancora.
La capacità di misurare le distanze oltre il tempo di coerenza con maggiore precisione e affidabilità ha il potenziale per rimodellare i settori che fanno affidamento su misurazioni precise delle distanze.
Il team di ricerca prevede la collaborazione con partner del settore e parti interessate per sviluppare e implementare ulteriormente il LIDAR coerente a due fotoni in scenari reali.
Ulteriori informazioni: Chung-Hyun Lee et al, LIDAR coerente a due fotoni con luce incoerente, lettere di revisione fisica (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.223602
Fornito dall'Università di Portsmouth
