中國(guó)科大光量子雷達(dá)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)湍流下的微米精度三維探測(cè)

 

　　高分辨率三維光學(xué)成像，是精準(zhǔn)醫(yī)療診斷、高端極端制造、工業(yè)精密檢測(cè)等領(lǐng)域的核心關(guān)鍵技術(shù)，但其成像效果極易受傳輸介質(zhì)干擾。在生物醫(yī)學(xué)層析成像中，樣品運(yùn)動(dòng)引發(fā)的隨機(jī)光程波動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致細(xì)微結(jié)構(gòu)分辨率下降；組織內(nèi)部復(fù)雜的折射率分布，會(huì)造成光束波形畸變、圖像失真。在海洋探測(cè)、大氣遙感等場(chǎng)景中，湍流引發(fā)的動(dòng)態(tài)波前畸變，會(huì)大幅降低系統(tǒng)成像分辨率，甚至導(dǎo)致氣–水界面三維測(cè)繪失效。如何在動(dòng)態(tài)復(fù)雜環(huán)境中，有效抑制隨機(jī)波前擾動(dòng)與光強(qiáng)閃爍，已成為生物成像、多層介質(zhì)遙感領(lǐng)域亟待攻克的核心難題。
 

　　針對(duì)這一技術(shù)瓶頸，團(tuán)隊(duì)發(fā)展了基于量子光學(xué)相干層析(QOCT)的抗擾動(dòng)理論與實(shí)驗(yàn)體系，以頻率糾纏光子對(duì)的雙光子干涉(HOM干涉)為核心，從理論層面定量分析了隨機(jī)波前擾動(dòng)、強(qiáng)度噪聲對(duì)干涉對(duì)比度的影響規(guī)律，證實(shí)：在隨機(jī)相位漲落環(huán)境下，QOCT 的干涉能見(jiàn)度衰減速率，較傳統(tǒng)經(jīng)典光學(xué)相干層析(OCT)慢一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，抗干擾能力實(shí)現(xiàn)量級(jí)提升。
 

　　為驗(yàn)證技術(shù)在真實(shí)工況的適用性，團(tuán)隊(duì)搭建強(qiáng)湍流模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)磁力攪拌在液體中制造夾卷大量氣泡的渦旋流場(chǎng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：在雷諾數(shù)約5600的強(qiáng)湍流條件下，傳統(tǒng)OCT完全無(wú)法正常成像，而QOCT的干涉能見(jiàn)度僅從0.92微降至0.83，成像穩(wěn)定性與抗干擾能力優(yōu)勢(shì)顯著。
 

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖
 

透湍流液體的三維層析成像
 

　　圖(a)為強(qiáng)湍流液體對(duì)高斯光束的調(diào)制，圖(b)和(c)為強(qiáng)湍流情況下的QOCT干涉能見(jiàn)度，圖d為傳統(tǒng)OCT的成像結(jié)果，圖(e)和(f)為QOCT的成像結(jié)果
 

　　該成果突破了傳統(tǒng)光學(xué)成像的湍流限制，無(wú)需額外噪聲修正算法與復(fù)雜圖像重構(gòu)處理，即可高效抑制多層復(fù)雜介質(zhì)帶來(lái)的運(yùn)動(dòng)偽影、結(jié)構(gòu)模糊問(wèn)題，在強(qiáng)波前畸變、光強(qiáng)閃爍的極端條件下，依舊保持高干涉保真度。這一 “量子方案”，為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域抗血流干擾的微血管疾病精準(zhǔn)診斷、復(fù)雜水體環(huán)境目標(biāo)三維重建、多介質(zhì)極端制造工業(yè)檢測(cè)，提供了全新技術(shù)路徑。
 

　　本成果是團(tuán)隊(duì)在雙光子大氣探測(cè)技術(shù)上的迭代。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院的楊可欣博士是論文第一作者，王沖副教授和薛向輝教授為論文共同通訊作者。國(guó)防科技大學(xué)劉博副教授和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)附屬醫(yī)院文磊教授為本技術(shù)提供了技術(shù)指導(dǎo)。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)和合肥國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的支持。