一種高分辨率成像系統可以通過發射激光并檢測反射光來捕捉遠處的物體。天文學家觀測遙遠天體的技巧之一是強度干涉測量法，即比較兩臺獨立望遠鏡記錄的強度波動。研究人員如今將這項技術應用于地球遠距離物體成像[1]。合肥國家實驗室/中國科學技術大學潘建偉、張強、徐飛虎等人聯合美國麻省理工學院、中國科學院西安光學精密機械研究所等單位所開發的系統利用多束激光照射遠處目標，并采用一對小型望遠鏡收集反射光。實驗證明該強度干涉儀可在1.36公里距離上識別毫米級字母，空間分辨率較單臺望遠鏡提升14倍。

▲這套遠距離成像系統（左）向1.36公里外建筑物內的目標（右）發射八束紅外激光（紅線為光路示意），目標反射光由系統的兩臺望遠鏡接收。（圖片來源：參考文獻[1]）

干涉測量法在射電天文學中應用廣泛，通過將大型射電望遠鏡陣列的信號振幅按電磁波相對相位進行疊加。強度干涉測量（intensity interferometry）則截然不同，其既不涉及振幅疊加也不保留相位信息，而是通過兩臺獨立探測器（或望遠鏡）記錄同源光信號，比較兩路信號的強度波動。通過分析這些波動的時間相關性及其與探測器間距的關系，即可獲取光源的空間信息。

這種相關性在直觀上較難理解，存在量子與經典兩種解釋。量子描述涉及雙光子干涉：假設光子1源自光源左側到達探測器A，同時光子2源自右側到達探測器B，該場景與光子1抵達B而光子2抵達A在觀測上無法區分。這種不可區分性引發量子干涉，導致探測器出現同步強度波動。隨著探測器間距增大，這種相關性會減弱。

自1956年首次演示以來，強度干涉測量法在恒星直徑測量中成效顯著[2]。但相較于振幅干涉測量法，該技術應用較少，因前者通常具有更高的信噪比。中國科學技術大學的張強指出，在"無序"場景（如存在大氣湍流的光學成像或穿透組織的生物醫學成像）中，當光線部分散射導致振幅干涉測量困難時，強度干涉法更具優勢。

▲遠視成像。左圖：干涉儀系統配備多束激光（用于目標照明）和一對探測器（用于接收反射光）右圖：四個字母標靶及其重建圖像對比。（圖片來源：參考文獻[1]）

之前強度干涉測量的目標僅限于兩類：自身明亮的遙遠天體（如恒星），或可由鄰近光源照亮的非發光體。中國科學技術大學的張強團隊如今突破性地開發出適用于大氣環境遠距離成像的強度干涉儀系統。該裝置將兩臺望遠鏡和紅外激光系統集成于同一光學平臺，激光束照射1.36公里外另一棟建筑內的目標物體。

這一技術的核心挑戰在于激光的相干性，光子相位的高度關聯會導致觀測到的強度波動主要反映的是激光器內部的變化（即散粒噪聲）。研究團隊創造性地將100毫瓦激光分成八束獨立光束，每束光穿越湍流大氣時經歷不同隨機相位擾動。看似矛盾的是，這種非相干照明反而使干涉效應能被有效地觀測到。

為驗證系統性能，研究人員制作了8毫米寬的反射材料字母標靶。成像過程中，他們以7至87厘米的間距動態調整雙望遠鏡的基線距離，同時使標靶完成360度旋轉。通過分析反射激光的強度波動相關性，團隊成功重建字母形狀。實測分辨率達3毫米，而單臺望遠鏡分辨率僅42毫米——后者根本無法辨識字母細節。

張強團隊計劃通過提升激光控制精度進一步優化技術，并擬將深度學習算法融入圖像重建軟件。張強指出，該技術在空間碎片監測領域頗具潛力——可用激光照射近地軌道物體。法國索邦大學量子光學專家Shaurya Aarav評價稱："這項研究在非自發光遠距離物體成像領域實現了重大技術突破"，他認為該系統在農業害蟲監測等領域具有應用前景。英國格拉斯哥大學光學專家Ilya Starshynov對這套實現遠距離非相干光照明的"精巧系統"印象深刻："能在千米外識別毫米級物體確實令人驚嘆"。

參考文獻

1. L.-C. Liu et al., “Active optical intensity interferometry,” Phys. Rev. Lett. 134, 180201 (2025).

2. R. Hanbury Brown and R. Q. Twiss, “A test of a new type of stellar interferometer on Sirius,” Nature 178 (1956).

原文鏈接：https://physics.aps.org/articles/v18/99

編譯：李唐