看得更远：科学家实现了超200公里的单光子三维成像

由中国科学技术大学的潘建伟院士、徐飞虎教授领导的课题组，借助高效光学设备及一种新型噪声抑制技术，成功实现了距离超过200km的单光子3D成像。文章审稿人将此项研究成果称为远距离单光子成像研究的“壮举”。

图1 （a）使用配有望远镜的标准天文相机拍摄的目标山脉照片，海拔约4500米。（b）光学系统示意图。（c）实验装置实物，包括光学系统（左上、左下）和电子控制系统（右下）。（d）实验场地示意图：建在海拔1770处、装有激光雷达的临时实验室

近年来，借助激光雷达技术，研究人员们实现了目标场景的高精度三维成像。单光子成像激光雷达兼具单光子级灵敏度和皮秒分辨率的优点，是进行远距离光学成像的理想技术。然而美中不足的是，由于回波光子数量呈二次递减，其成像范围受到严格限制。

研究人员首先优化了收发器光学设计，设计了全新的激光雷达系统。激光雷达系统中采用了发射和接收光路同轴扫描设计，与传统方法相比，光斑发射、接收的对准更精确，成像分辨率更高。

为了区分弱回波信号和强背景噪声，该团队开发了一种单光子雪崩二极管探测器，其探测效率为19.3%，暗计数率为0.1kHz。此外，研究人员在望远镜上加镀涂层，以实现1550纳米波长处的高透射率。这些技术改进，使得系统收集效率达到了前所未有的高度。

研究人员还采用了一种高效的时间滤波技术来抑制噪声，该技术噪声光子总数降低至0.4 KHz左右，比以往的技术低了50倍以上。

实验结果表明，该系统将三维成像的距离拓展到了201.5公里，成像灵敏度达到单光子。

此项工作改进了低功耗、高分辨率主动成像单光子激光雷达及远距离遥感技术，为远程目标识别、地球观测等应用开辟了新的途径。