Interferometer Device Sees Text from a Mile Away
干涉仪设备：一英里之外清晰识文的 Intensity Interferometry 技术
- FOCUS May 9, 2025• Physics 18, 99
一种高分辨率成像系统，通过将激光照射到远处物体并检测反射光来捕获图像。
L.-C. Liu et al. [1]
观察小图. 远程成像系统（左）向1.36公里外建筑物中的目标（右）发射八束红外激光束（红色线表示路径）。从目标反射的光由系统的两个望远镜收集。
L.-C. Liu et al. [1]
观察小图. 远程成像系统（左）向1.36公里外建筑物中的目标（右）发射八束红外激光束（红色线表示路径）。从目标反射的光由系统的两个望远镜收集。×
天文学家观察遥远物体的一个技巧是 intensity interferometry，它涉及比较两个独立望远镜记录的强度波动。研究人员现在已将该技术应用于地球上远程物体的成像[1]。他们开发了一种系统，该系统使用多个激光束照射远处的物体，并使用一对小型望远镜收集反射光。该团队证明，与单个望远镜相比，这种 intensity interferometer 可以对1.36公里外的毫米宽的字母进行成像，空间分辨率提高了14倍。
Interferometry 在射电天文学中很常见，其中来自大型射电望远镜阵列的信号幅度以取决于无线电波相对相位的方式加在一起。Intensity interferometry 则是另一回事。它不涉及幅度的相加或相位的保存。相反，光从单个光源记录在两个单独的探测器（或望远镜）中，并比较两个信号强度的波动。关于光源的空间信息来自分析这些波动在时间上如何相关以及这种相关性如何取决于探测器的分离。
这些相关性可能难以直观理解，并且存在量子和经典解释。一种量子描述涉及双光子干涉。想象一下，光子1来自光源的左侧，并在光子2来自光源的右侧并到达探测器B的同时到达探测器A。这种情况与光子1到达B且光子2到达A的情况在观测上无法区分。这种不可区分性导致量子干涉，从而导致探测器强度同时波动。随着探测器之间距离的增加，这种相关性会降低。
Intensity interferometry 于 1956 年首次展示，已被证明可用于测量恒星直径 [2]。尽管如此，该技术不如幅度 interferometry 常用，因为后者通常提供比噪声更强的信号。但中国科学技术大学的 Qiang Zhang 说，在某些“无序”情况下，光会被部分扰乱，幅度 interferometry 变得具有挑战性。这些情况包括存在大气湍流的光学成像和通过组织进行的生物医学成像。
L.-C. Liu et al. [1]
远距离观察. 左图：干涉仪系统包括用于照射目标的多激光器和用于收集反射光的一对探测器。右图：显示了四个字母目标及其重建图像。
L.-C. Liu et al. [1]
远距离观察. 左图：干涉仪系统包括用于照射目标的多激光器和用于收集反射光的一对探测器。右图：显示了四个字母目标及其重建图像。×
到目前为止，Intensity interferometry 的目标要么是明亮、遥远的物体（例如恒星），要么是可以被附近光源照亮的非发光物体。Zhang 和他的同事现在开发了一种用于通过大气进行远程成像的 intensity interferometer。它由两个望远镜和一个安装在同一光学平台上的红外激光系统组成。激光照射目标物体，在团队的测试中，该物体位于 1.36 公里外的另一栋建筑物中。
主要挑战是激光是相干的——光子具有相关的相位——这导致观察到的强度波动主要由激光的内部变化（所谓的散粒噪声）控制。为了避免这个问题，该团队将 100 毫瓦的激光分成八束。每束光线都沿着湍流大气中的略有不同的路径传播，因此会受到不同的随机相位扰动。与直觉相反，这种非相干照明使得可以观察到干涉效应。
为了展示系统的功能，该团队创建了一系列 8 毫米宽的目标，每个目标均由反射材料制成并印有字母。为了生成图像，研究人员将两个望远镜之间的距离从 7 厘米更改为 87 厘米。他们还将目标逐步旋转了 360°。通过检测反射的激光并分析强度波动的相关性，研究人员可以重建字母形状。观察结果显示分辨率为 3 毫米，而单独一个望远镜的分辨率为 42 毫米，分辨率太差，无法辨认字母。
Zhang 和他的同事计划通过改进他们对激光的控制来进一步开发这项技术。他们还计划将深度学习纳入图像重建软件。Zhang 说，一个潜在的应用可能是空间碎片探测——激光可以照射到附近的轨道物体上。
法国索邦大学的量子光学研究员 Shaurya Aarav 说：“这项新工作代表了在对不发光的遥远物体进行成像方面的一项重大技术进步。”他认为，该远程成像系统可以有多种应用，包括监测农业用地的昆虫种群。英国格拉斯哥大学的光学专家 Ilya Starshynov 对向远处目标提供非相干光的“巧妙”系统印象深刻。他说：“他们能够对超过一公里距离的毫米级物体进行成像，这一事实确实令人印象深刻。”
–Michael Schirber
Michael Schirber 是位于法国里昂的 Physics Magazine 的特约编辑。
参考文献
- L.-C. Liu et al. , “Active optical intensity interferometry,” Phys. Rev. Lett. 134 , 180201 (2025).
- R. Hanbury Brown and R. Q. Twiss, “A test of a new type of stellar interferometer on Sirius,” Nature 178 (1956).
Active Optical Intensity Interferometry
Lu-Chuan Liu, Cheng Wu, Wei Li, Yu-Ao Chen, Xiao-Peng Shao, Frank Wilczek, Feihu Xu, Qiang Zhang, and Jian-Wei Pan
Phys. Rev. Lett. 134 , 180201 (2025)
Published May 9, 2025
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