研究人員展示了一種新的單光子拉曼激光雷達(dá)系統(tǒng)，該系統(tǒng)在水下運(yùn)行，可以遠(yuǎn)程區(qū)分各種物質(zhì)。他們還表明，新系統(tǒng)可以探測(cè)水下12米外的石油厚度，這對(duì)于檢測(cè)漏油很有用。 中國(guó)廈門(mén)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人Mingjia Shangguan說(shuō)：“區(qū)分水中的物質(zhì)并檢測(cè)它們?cè)诤Ｑ笾械姆植继卣鲗?duì)海洋監(jiān)測(cè)和科學(xué)研究具有重要意義。例如，我們展示的水下石油遙感可用于監(jiān)測(cè)水下石油管道的泄漏。” 雖然基于拉曼信號(hào)的激光雷達(dá)方法以前已用于探測(cè)水下物質(zhì)，但現(xiàn)有的系統(tǒng)是不切實(shí)際的，因?yàn)樗鼈凅w積龐大且需要大量電力。

在《應(yīng)用光學(xué)》雜志上，研究人員描述了他們的新激光雷達(dá)系統(tǒng)，該系統(tǒng)僅使用1μJ的脈沖能量和22.4毫米的接收器孔徑。整個(gè)激光雷達(dá)系統(tǒng)長(zhǎng)40厘米，直徑20厘米，可在水下運(yùn)行長(zhǎng)達(dá)1公里。為了提高靈敏度，研究人員將單光子檢測(cè)整合到其緊湊的水下拉曼激光雷達(dá)系統(tǒng)中。

Shangguan說(shuō)：“在自主水下航行器或遙控車輛上安裝水下拉曼激光雷達(dá)系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)水下輸油管道的泄漏。它也可能用于勘探海洋資源或用于檢測(cè)海底沉積物類型，如珊瑚礁。”

水下激光雷達(dá)中的單光子靈敏度

設(shè)計(jì)用于船舶、飛機(jī)或衛(wèi)星水上運(yùn)行的傳統(tǒng)激光雷達(dá)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的海洋剖面，但其探測(cè)深度有限，尤其是在波濤洶涌的海況下。然而，拉曼激光雷達(dá)系統(tǒng)可用于不同深度的水下分析，而不受海況的影響。 拉曼激光雷達(dá)的工作原理是向水中發(fā)射綠色激光脈沖，與油等物質(zhì)相互作用。這會(huì)激發(fā)可用于識(shí)別物質(zhì)的非彈性拉曼信號(hào)。通過(guò)測(cè)量特定波長(zhǎng)的拉曼信號(hào)強(qiáng)度，激光雷達(dá)可以提供有關(guān)水中含油量的信息。

Shangguan說(shuō)：“傳統(tǒng)的拉曼激光雷達(dá)系統(tǒng)依靠不斷增加的激光功率和望遠(yuǎn)鏡孔徑來(lái)實(shí)現(xiàn)遙感探測(cè)，這導(dǎo)致系統(tǒng)體積大，功耗高，難以將激光雷達(dá)系統(tǒng)集成到水下航行器上。單光子檢測(cè)技術(shù)的使用通過(guò)將檢測(cè)靈敏度提高到單光子的水平，使這項(xiàng)工作成為可能。”

研究人員展示了他們的新激光雷達(dá)系統(tǒng)，用它來(lái)檢測(cè)距離系統(tǒng)12米的石英電池中不同厚度的汽油。激光雷達(dá)系統(tǒng)和石英電池都淹沒(méi)在一個(gè)大水池中，深度為0.6米。激光雷達(dá)系統(tǒng)能夠檢測(cè)和區(qū)分所有厚度的汽油，范圍從1毫米到15毫米不等。 研究人員現(xiàn)在正在努力增加單光子激光雷達(dá)系統(tǒng)的檢測(cè)通道數(shù)量和拉曼光譜分辨率，以增強(qiáng)其區(qū)分水中不同物質(zhì)的能力。這將使它能夠用于分析水下氣泡類型并檢測(cè)珊瑚和錳結(jié)核。 編輯：黃飛