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(dǎo)，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的兩個不同波長（1063.6nm和1064.4 nm）光源，以超過單望遠鏡衍射極限40倍的結(jié)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(yīng)用范圍，有望被應(yīng)用于天文觀測、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(xiàn)了以他們名字命名的Hanbury Brown and Twiss效應(yīng)（簡稱HBT效應(yīng)），并提出了利用該效應(yīng)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)一個經(jīng)典的應(yīng)用案例。不過這種傳統(tǒng)的強度干涉方案要求進入探測器的光子全部具有相同的波長，限制了其應(yīng)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(zhuǎn)換原理的顏色擦除探測器引入強度干涉儀，可以使得進入探測器的不同波長光子也發(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(dǎo)首次搭建了顏色擦除單光子探測，并基于此在實驗室內(nèi)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，該小組在上海開展了外場實驗。如圖1所示，他們利用兩種不同波長的泵浦光分別泵浦并聯(lián)的兩個PPLN波導(dǎo)，實現(xiàn)了無法分辨1063.6nm和1064.4 nm光子差異的顏色擦除探測器，并用兩個這樣的探測器搭建了80cm基線長度的強度干涉儀對1.43km外的相距4.2mm的兩個不同波長光源目標進行測量。獲得實驗數(shù)據(jù)后，他們在理論上提出了一種相位擬合的算法得到了兩個光源的角距離，結(jié)果超過了實驗所使用的單臺10.9mm望遠鏡衍射極限的40倍，成功驗證了該系統(tǒng)的高空間分辨成像能力?！段锢碓u論快報》雜志審稿人評價“這項工作為超越由孔徑大小決定的傳統(tǒng)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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