單光子拉曼激光雷達系統(tǒng)可用于探測水下物質(zhì)

研究人員展示了一種新的單光子拉曼激光雷達系統(tǒng)，該系統(tǒng)在水下運行，可以遠程區(qū)分各種物質(zhì)。他們還表明，新系統(tǒng)可以探測水下12米外的石油厚度，這對于檢測漏油很有用。 中國廈門大學研究團隊負責人Mingjia Shangguan說：“區(qū)分水中的物質(zhì)并檢測它們在海洋中的分布特征對海洋監(jiān)測和科學研究具有重要意義。例如，我們展示的水下石油遙感可用于監(jiān)測水下石油管道的泄漏?！?雖然基于拉曼信號的激光雷達方法以前已用于探測水下物質(zhì)，但現(xiàn)有的系統(tǒng)是不切實際的，因為它們體積龐大且需要大量電力。

在《應(yīng)用光學》雜志上，研究人員描述了他們的新激光雷達系統(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。整個激光雷達系統(tǒng)長40厘米，直徑20厘米，可在水下運行長達1公里。為了提高靈敏度，研究人員將單光子檢測整合到其緊湊的水下拉曼激光雷達系統(tǒng)中。

Shangguan說：“在自主水下航行器或遙控車輛上安裝水下拉曼激光雷達系統(tǒng)可以監(jiān)測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海底沉積物類型，如珊瑚礁?！?/p>

水下激光雷達中的單光子靈敏度

設(shè)計用于船舶、飛機或衛(wèi)星水上運行的傳統(tǒng)激光雷達系統(tǒng)可以實現(xiàn)大規(guī)模的海洋剖面，但其探測深度有限，尤其是在波濤洶涌的海況下。然而，拉曼激光雷達系統(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。這會激發(fā)可用于識別物質(zhì)的非彈性拉曼信號。通過測量特定波長的拉曼信號強度，激光雷達可以提供有關(guān)水中含油量的信息。

Shangguan說：“傳統(tǒng)的拉曼激光雷達系統(tǒng)依靠不斷增加的激光功率和望遠鏡孔徑來實現(xiàn)遙感探測，這導致系統(tǒng)體積大，功耗高，難以將激光雷達系統(tǒng)集成到水下航行器上。單光子檢測技術(shù)的使用通過將檢測靈敏度提高到單光子的水平，使這項工作成為可能?！?/p>

研究人員展示了他們的新激光雷達系統(tǒng)，用它來檢測距離系統(tǒng)12米的石英電池中不同厚度的汽油。激光雷達系統(tǒng)和石英電池都淹沒在一個大水池中，深度為0.6米。激光雷達系統(tǒng)能夠檢測和區(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系統(tǒng)的檢測通道數(shù)量和拉曼光譜分辨率，以增強其區(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珊瑚和錳結(jié)核。 編輯：黃飛