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，中國科學技術(shù)大學潘建偉、張強等與美國麻省理工學院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)的應用范圍，有望被應用于天文觀測、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（簡稱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)一個經(jīng)典的應用案例。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，限制了其應用范圍。2016年，美國物理學家，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，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。《物理評論快報》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、國家自然科學基金委、中科院、山東省、上海市和安徽省的支持。 
 
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