De nouvelles recherches ont dévoilé une avancée dans la technologie de détection et de télémétrie de la lumière (LIDAR), offrant une sensibilité et une précision inégalées dans la mesure de la distance des objets distants.
Cette recherche, publié dans Lettres d’examen physiqueest le résultat d’une collaboration entre le groupe du professeur Yoon-Ho Kim de POSTECH en Corée du Sud et le Quantum Science and Technology Hub de l’Université de Portsmouth.
Le LIDAR cohérent est depuis longtemps la pierre angulaire de la mesure de distance, mais ses capacités ont été limitées par le temps de cohérence de la source lumineuse. Dans une démarche pionnière, les chercheurs ont introduit le LIDAR à deux photons, éliminant les limitations de portée imposées par le temps de cohérence, pour obtenir une télémétrie précise et précise d’un objet distant situé bien au-delà du temps de cohérence dicté par la bande passante spectrale de la source lumineuse.
La recherche, inspirée des travaux récents dirigés par le professeur Vincenzo Tamma, directeur du Quantum Science and Technology Hub, capitalise sur l’interférence à deux photons de la lumière thermique au-delà de la cohérence. Contrairement au LIDAR cohérent traditionnel, où le temps de cohérence est un facteur limitant, les franges d’interférence de second ordre dans le LIDAR cohérent à deux photons ne restent pas affectées par le court temps de cohérence de la source lumineuse, déterminé par sa bande passante spectrale.
Le schéma démontré expérimentalement tire parti d’une simple source de lumière thermique, par exemple la lumière du soleil, interagissant avec un masque à double fente comportant deux fentes A et B séparées au-delà de la longueur cohérente de la source, et deux caméras. La lumière émise par les deux fentes soit emprunte un chemin de longueur optique connue vers le premier détecteur D1, soit se propage vers un objet distant à une distance inconnue et après avoir été réfléchie par celui-ci est détectée par le deuxième détecteur D2.
Recherche récente dirigé par le professeur Tamma, en collaboration avec l’Université de Bari et POSTECH en Corée du Sud, a pour la première fois démontré théoriquement que, même en présence de turbulences, il est possible d’estimer la distance de l’objet distant en mesurant les corrélations spatiales dans les intensités de la lumière détectée par les deux détecteurs.
La sensibilité à la distance inconnue entre la double fente et l’objet est une conséquence de l’interférence dépendante de la phase entre deux trajets à deux photons : i) du trou d’épingle A au détecteur D1 et du trou d’épingle B au détecteur D2 ; et ii) du trou d’épingle A à D2 et du trou d’épingle B à D1. C’est dans une telle interférence dépendante de la phase que la valeur de la distance de l’objet est codée et récupérée grâce à des mesures spatialement corrélées.
Si l’une des deux fentes est fermée, aucune interférence dépendante de la phase ne peut être observée. C’est le cas de la célèbre expérience Hanbury-Brown et Twiss (HBT), qui a ouvert la voie en 1954 au développement de l’optique quantique et des technologies quantiques. En effet, dans l’interférence à deux photons HBT standard résultant des contributions d’une seule fente à la fois, aucun battement d’interférence ne peut être observé en effectuant des mesures de corrélation des intensités lumineuses au niveau des deux détecteurs.
Néanmoins, lorsque les deux fentes sont ouvertes, on peut observer une contribution d’interférence supplémentaire, mais cette fois-ci dépendante de la phase, en fonction de la distance inconnue de l’objet distant et résultant de l’interférence entre les deux trajets possibles de deux photons depuis les deux fentes distinctes vers les deux détecteurs, comme prédit avant.
L’apparition d’une telle contribution dépendante de la phase est un effet tout à fait contre-intuitif du point de vue fondamental et au cœur même de l’impact technologique d’une telle technique, qui a maintenant été démontré expérimentalement dans le laboratoire du professeur Yoon-Ho Kim. chez POSTECH.
La nouvelle étude révèle que le LIDAR cohérent à deux photons est robuste aux turbulences et au bruit ambiant, marquant un pas en avant significatif dans l’applicabilité de la technologie LIDAR dans des environnements difficiles.
« Cette avancée ouvre la voie à de nouvelles applications de corrélation à deux photons dans la lumière classique, repoussant les limites de ce que l’on pensait auparavant possible dans la technologie LIDAR », a déclaré le professeur Tamma, co-auteur de l’étude. « Notre technique LIDAR cohérente à deux photons surmonte non seulement les limitations de portée associées au temps de cohérence, mais démontre également une résilience remarquable face aux perturbations externes. »
Les résultats pourraient potentiellement conduire au développement de nouvelles technologies de détection basées sur l’utilisation de mesures de corrélation avec la lumière thermique. Ceux-ci pourraient être potentiellement utilisés pour des applications dans des domaines tels que les véhicules autonomes, la robotique, la surveillance environnementale, etc.
La capacité de mesurer des distances au-delà du temps de cohérence avec une précision et une fiabilité accrues a le potentiel de remodeler les industries qui dépendent de mesures de distance précises.
L’équipe de recherche envisage une collaboration avec des partenaires industriels et des parties prenantes pour développer et mettre en œuvre davantage le LIDAR cohérent à deux photons dans des scénarios du monde réel.
Plus d’information:
Chung-Hyun Lee et al, LIDAR cohérent à deux photons avec lumière incohérente, Lettres d’examen physique (2023). DOI : 10.1103/PhysRevLett.131.223602