中国科大完成基于颜色擦除强度干涉的高空间分辨成像

近日，中国科学技术大学潘建伟、张强等与美国麻省理工学院Frank Wilczek合作，利用济南量子技术研究院研制的周期极化铌酸锂波导，搭建颜色擦除强度干涉仪，成功分辨出1.43km距离外相距4.2mm的两个不同波长（1063.6nm和1064.4 nm）光源，以超过单望远镜衍射极限40倍的结果验证了颜色擦除强度干涉技术（chromatic intensity Interferometry）具备高空间分辨成像能力，拓展了强度干涉技术的应用范围，有望被应用于天文观测、空间遥感和空间碎片探测等领域，相关成果发表在国际知名学术期刊《物理评论快报》上。 

干涉仪被广泛用于各种高空间分辨成像技术中，以突破单镜片有限孔径下的分辨率极限（衍射极限）。上世纪50年代，英国科学家Robert Hanbury Brown和Richard Quintin Twiss共同发现了以他们名字命名的Hanbury Brown and Twiss效应（简称HBT效应），并提出了利用该效应的强度干涉技术。1956年，他们搭建强度干涉仪成功测出了天狼星的直径，成为了该技术一个经典的应用案例。不过这种传统的强度干涉方案要求进入探测器的光子全部具有相同的波长，限制了其应用范围。2016年，美国物理学家，诺贝尔奖获得者Frank Wilczek和其同事在理论上提出，将基于频率转换原理的颜色擦除探测器引入强度干涉仪，可以使得进入探测器的不同波长光子也发生干涉并提取出相位信息。他们将这种新技术命名为颜色擦除强度干涉技术（chromatic intensity Interferometry）。随后，潘建伟小组利用济南量子院自主研制的周期极化铌酸锂波导首次搭建了颜色擦除单光子探测，并基于此在实验室内原理演示了强度干涉技术（Phys. Rev. Lett. 123, 243601 (2019)，Opt. Express 28, 32294 (2000)）。  

为了验证该技术具备高空间分辨成像能力，该小组在上海开展了外场实验。如图1所示，他们利用两种不同波长的泵浦光分别泵浦并联的两个PPLN波导，实现了无法分辨1063.6nm和1064.4 nm光子差异的颜色擦除探测器，并用两个这样的探测器搭建了80cm基线长度的强度干涉仪对1.43km外的相距4.2mm的两个不同波长光源目标进行测量。获得实验数据后，他们在理论上提出了一种相位拟合的算法得到了两个光源的角距离，结果超过了实验所使用的单台10.9mm望远镜衍射极限的40倍，成功验证了该系统的高空间分辨成像能力。《物理评论快报》杂志审稿人评价“这项工作为超越由孔径大小决定的传统衍射极限提供了一种新的有趣成像方法（This explores one of a variety interesting methods to image beyond the traditional diffraction limit driven by aperture sizes）。 

 
该研究工作得到了科技部、国家自然科学基金委、中科院、山东省、上海市和安徽省的支持。 
 
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