中國科大完成基于顏色擦除強度干涉的高空間分辨成像

近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、張強等與美國麻省理工學(xué)院Frank Wilczek合作，利用濟南量子技術(shù)研究院研制的周期極化鈮酸鋰波導，搭建顏色擦除強度干涉儀，成功分辨出1.43km距離外相距4.2mm的兩個(gè)不同波長(cháng)（1063.6nm和1064.4 nm）光源，以超過(guò)單望遠鏡衍射極限40倍的結果驗證了顏色擦除強度干涉技術(shù)（chromatic intensity Interferometry）具備高空間分辨成像能力，拓展了強度干涉技術(shù)的應用范圍，有望被應用于天文觀(guān)測、空間遙感和空間碎片探測等領(lǐng)域，相關(guān)成果發(fā)表在國際知名學(xué)術(shù)期刊《物理評論快報》上。 

干涉儀被廣泛用于各種高空間分辨成像技術(shù)中，以突破單鏡片有限孔徑下的分辨率極限（衍射極限）。上世紀50年代，英國科學(xué)家Robert Hanbury Brown和Richard Quintin Twiss共同發(fā)現了以他們名字命名的Hanbury Brown and Twiss效應（簡(jiǎn)稱(chēng)HBT效應），并提出了利用該效應的強度干涉技術(shù)。1956年，他們搭建強度干涉儀成功測出了天狼星的直徑，成為了該技術(shù)一個(gè)經(jīng)典的應用案例。不過(guò)這種傳統的強度干涉方案要求進(jìn)入探測器的光子全部具有相同的波長(cháng)，限制了其應用范圍。2016年，美國物理學(xué)家，諾貝爾獎獲得者Frank Wilczek和其同事在理論上提出，將基于頻率轉換原理的顏色擦除探測器引入強度干涉儀，可以使得進(jìn)入探測器的不同波長(cháng)光子也發(fā)生干涉并提取出相位信息。他們將這種新技術(shù)命名為顏色擦除強度干涉技術(shù)（chromatic intensity Interferometry）。隨后，潘建偉小組利用濟南量子院自主研制的周期極化鈮酸鋰波導首次搭建了顏色擦除單光子探測，并基于此在實(shí)驗室內原理演示了強度干涉技術(shù)（Phys. Rev. Lett. 123, 243601 (2019)，Opt. Express 28, 32294 (2000)）。  

為了驗證該技術(shù)具備高空間分辨成像能力，該小組在上海開(kāi)展了外場(chǎng)實(shí)驗。如圖1所示，他們利用兩種不同波長(cháng)的泵浦光分別泵浦并聯(lián)的兩個(gè)PPLN波導，實(shí)現了無(wú)法分辨1063.6nm和1064.4 nm光子差異的顏色擦除探測器，并用兩個(gè)這樣的探測器搭建了80cm基線(xiàn)長(cháng)度的強度干涉儀對1.43km外的相距4.2mm的兩個(gè)不同波長(cháng)光源目標進(jìn)行測量。獲得實(shí)驗數據后，他們在理論上提出了一種相位擬合的算法得到了兩個(gè)光源的角距離，結果超過(guò)了實(shí)驗所使用的單臺10.9mm望遠鏡衍射極限的40倍，成功驗證了該系統的高空間分辨成像能力?！段锢碓u論快報》雜志審稿人評價(jià)“這項工作為超越由孔徑大小決定的傳統衍射極限提供了一種新的有趣成像方法（This explores one of a variety interesting methods to image beyond the traditional diffraction limit driven by aperture sizes）。 

 
該研究工作得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委、中科院、山東省、上海市和安徽省的支持。 
 
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