北京
实验系统示意图
近日，中国科学技术大学潘建伟、张强、徐飞虎等人联合美国麻省理工学院、中国科学院西安光学精密机械研究所等单位，首次提出并实验验证了主动光学强度干涉技术合成孔径技术，实现了对1.36公里外毫米级目标的高分辨成像。实验系统的成像分辨率较干涉仪中的单台望远镜提升约14倍。该成果以“Active Optical Intensity Interferometry”为题发表在国际学术期刊《物理评论快报》上，被选为编辑推荐论文(Editors’Suggestion)，并被美国物理学会(APS)下属网站Physics所报道。
传统成像技术的分辨率受到单个孔径衍射极限的制约。为突破这一物理极限，研究人员长期致力于发展各类合成孔径成像技术。例如，2019年事件视界望远镜(EHT)构建了一个地球尺度的合成孔径，在射电波段成功获得了M87星系中心黑洞的首张图像。这一开创性成果荣获了2020年基础物理学突破奖。然而，由于大气湍流引起的相位不稳定性，EHT所采用的基于振幅干涉的合成孔径技术很难直接应用于光学波段。早在20世纪50年代，英国科学家Hanbury Brown和Twiss(HBT)共同提出了强度干涉成像技术，并于1956年成功实现天狼星直径的测量。与振幅干涉技术相比，利用热光二阶干涉性质的强度干涉技术对大气湍流和望远镜光学缺陷不敏感，应用于光学长基线合成孔径成像具有独特优势。尽管如此，当前强度干涉技术仍局限于恒星成像等被动成像应用。为了实现远距离非自发光目标的高分辨率成像，并抵抗大气湍流，结合主动照明的强度干涉技术成为了一个极佳的候选方案。然而，由于缺乏有效的远距离热光照明方案和鲁棒的图像重建算法，强度干涉技术应用于主动合成孔径成像领域仍具有挑战性。
针对上述难题，本研究团队创新性地提出了主动光学强度干涉技术，开发了一种多激光发射器阵列系统，通过大气湍流的自然调制，巧妙地合成多个相位独立的激光束以实现远距离赝热照明。如上图所示，在1.36公里城市大气链路外场实验中，研究团队使用8个相互独立的激光发射器构建发射阵列照射目标，相邻发射器间距为0.15米，大于大气湍流的典型外尺度(通常为0.02-0.05米)，以确保每束激光在经过大气传播后具有独立且随机的相位变化。同时，构建的接收系统由两台可移动的望远镜组成0.07-0.87米的干涉基线，结合高灵敏度的单光子探测器以测量目标反射光场的强度关联信息。研究团队还开发了鲁棒的图像恢复算法，最终成功重建出具有毫米级分辨率的目标图像。
该工作为远距离、高精度的遥感成像和日益重要的空间碎片探测等应用场景开辟了新的可能性。《物理评论快报》审稿人高度评价该成果，认为“该论文在远距离大气高分辨率成像问题上取得了重大进展”(“the paper makes a significantadvance in the issue of high-resolution imaging through the atmosphereat extended distances”)。
该研究得到了国家自然科学基金委、中国科学院、科技部、上海市和安徽省的大力支持。博士研究生刘陆川和博士后吴骋、李伟为共同第一作者。
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