Imágenes de fotón único de largo alcance

Abril 23, 2021

En los últimos años, los científicos han desarrollado el lidar de fotón único como herramienta para el reconocimiento de objetivos y mapeo de alta resolución. Sin embargo, los esfuerzos para extender el alcance de este tipo de lidar más allá de unas pocas decenas de kilómetros se han estancado debido a la retrodispersión de campo cercano y al alto ruido de fondo.

Ahora, un equipo de una universidad china ha desarrollado un sistema lidar de fotón único que puede producir una imagen en 3D de un objetivo a poco más de 200 km de distancia. Los investigadores atribuyen la hazaña a una nueva técnica de supresión de ruido y componentes ópticos de alta eficiencia.

A primera vista, la configuración lidar experimental construida en la Universidad de Ciencia y Tecnología de China (USTC) podría parecer un proyecto de astronomía. Los científicos de la USTC montaron un telescopio Cassegrain disponible comercialmente con una apertura de 280 mm en una sólida plataforma de mesa. Los pulsos de luz para el lidar provienen de un láser de fibra dopado con erbio que funciona a 1550 nm, elegido no por su utilidad para las telecomunicaciones, sino por su seguridad ocular y buena transmitancia atmosférica, así como por el bajo ruido de fondo de la luz solar. Los investigadores cambiaron los revestimientos ópticos del telescopio de los habituales, que están optimizados para la luz visible, a una combinación de dióxido de silicio y un tipo de óxido de galio, optimizado para longitudes de onda del infrarrojo cercano.

Para procesar la luz entrante, el equipo de la USTC diseñó un detector de diodo de avalancha de fotón único (SPAD) hecho de arseniuro de galio indio y fosfuro de indio y enfriado a 173 K. sistemas lidar de fotones, según los autores.

Con el SPAD eficiente, los investigadores encontraron dos fuentes de ruido de retrodispersión: la atmósfera de campo cercano y la emisión espontánea amplificada (ASE). La técnica de supresión de ruido que desarrolló el equipo para contrarrestar estas fuentes implica un filtrado temporal a escala de milisegundos. Durante el "modo de emisión", el láser dispara sus pulsos mientras que el SPAD se apaga. En el "modo de detección", el SPAD se enciende y el láser se apaga. Un modulador acústico-óptico filtra el ASE, que se produce durante ambos modos.

Para probar el sistema, los investigadores de la USTC recopilaron imágenes en 3D de objetos a distancias cada vez más largas: 9,8 km, 124 km y 201,5 km. Para el último experimento, el equipo colocó el sistema lidar en un edificio de laboratorio temporal a una altitud de 1770 my tomó imágenes de un pico de montaña distante de aproximadamente 4500 m de altura. Según el conocimiento del equipo, este es el primer lidar terrestre de fotón único que puede obtener imágenes de un objetivo a más de 200 km de distancia.

Según Feihu Xu, uno de los líderes del equipo de la USTC, el próximo objetivo de los investigadores es aumentar la velocidad de su técnica de imágenes de fotón único mediante el uso de matrices SPAD. Esperan que su sistema se pueda adaptar para satélites para aplicaciones lidar prácticas de baja potencia.

Los 12 científicos que realizaron el estudio también están afiliados al Centro de Investigación de Ciencias Cuánticas de Shanghai, China.

Fuente: https://www.osa-opn.org/home/newsroom/2021/april/long-range_single-photon_imaging/