想要捕获光子-先让太阳消声

时间:2020-03-17 17:49 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

想要捕获光子-先让太阳消声

史蒂文斯理工学院的研究人员创造了一个三维成像系统,使用光的量子特性来创建图像40000倍比现有技术,保鲜储藏格铺平了道路从未见过激光雷达遥感和检测在自动驾驶汽车,卫星测绘系统、深空通信、医学成像人类的视网膜。

这项工作由史蒂文斯量子科学与工程中心主任黄玉平领导,解决了激光雷达几十年的老问题,激光雷达向遥远的目标发射激光,然后检测反射光。虽然在这些系统中使用的光探测器足够敏感,可以从少量的光子(可以用信息编码的极微小的光粒子)生成详细的图像,但很难将反射的激光碎片与更明亮的背景光(如太阳光)区分开来。

黄说:“我们的传感器越灵敏,它们对背景噪音就越敏感。“这就是我们现在试图解决的问题。”

这项技术是使用量子参数模式分类(QPMS)方法来减少单光子噪声的第一个真实世界的演示,该方法是由黄和他的团队在2017年的《自然》杂志上首次提出的。与大多数基于软件的后处理来清除噪声图像的噪声滤波工具不同,QPMS通过奇异的非线性光学来检查光的量子签名,从而在传感器本身的层面上创建指数级的清洁图像。

在背景噪音的轰鸣声中探测特定的信息光子就像从暴风雪中摘一片雪花——但这正是黄的团队所做的。黄和他的同事们描述了一种方法,将特定的量子特性刻印到发出的激光脉冲上,然后过滤入射光,这样只有具有匹配量子特性的光子才会被传感器记录下来。

结果是:成像系统对从目标返回的光子非常敏感,但实际上忽略了所有不需要的噪声光子。研究小组的方法产生了清晰的三维图像,即使每个携带信号的光子被34倍的噪声光子所淹没。

“通过清理最初的光子探测,我们正在挑战在嘈杂环境中精确三维成像的极限,”史蒂文斯博士候选人、该研究的主要作者帕特里克·瑞金(Patrick Rehain)说。“我们已经证明,我们可以比目前最先进的成像技术减少大约4万倍的噪音。”

这种基于硬件的方法可以促进激光雷达在嘈杂环境下的使用,在这种环境下,计算密集型的后处理是不可能的。该技术还可以与基于软件的降噪技术相结合,从而产生更好的效果。瑞金说:“我们并没有试图与计算机方法竞争,我们只是为他们提供了新的工作平台。”

在实际应用中,QPMS的降噪可以使激光雷达在30公里范围内生成精确、详细的三维图像。它也可以用于深空通信,在那里,太阳的刺眼强光通常会淹没远处的激光脉冲。

或许最令人兴奋的是,这项技术还能让研究人员更近距离地观察人体最敏感的部位。史蒂文斯成像系统可以实现几乎无噪声的单光子成像,它将帮助研究人员用几乎看不见的微弱激光束创建清晰、高度详细的人类视网膜图像,而且不会损害眼睛的敏感组织。

“单光子成像领域正在蓬勃发展,”黄说。“但我们已经很久没有看到在降低噪音方面有如此大的进步了,它能给如此多的技术带来好处。”

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