Um sistema de imagem de alta resolução captura objetos distantes, iluminando a luz a laser sobre eles e detectando a luz refletida.
Vendo a imagem pequena. O sistema de imagem remota (à esquerda) dispara oito vigas a laser infravermelhas (a linha vermelha adicionada para mostrar o caminho) em um alvo (direita) em um edifício a 1,36 km de distância. A luz que reflete o alvo é coletada pelos dois telescópios do sistema.
Vendo a imagem pequena. O sistema de imagem remota (à esquerda) dispara oito vigas a laser infravermelhas (a linha vermelha adicionada para mostrar o caminho) em um alvo (direita) em um edifício a 1,36 km de distância. A luz que reflete o alvo é coletada pelos dois telescópios do sistema.
Um dos truques dos astrônomos para observar objetos distantes é a interferometria de intensidade, que envolve comparar as flutuações de intensidade registradas em dois telescópios separados. Os pesquisadores agora aplicaram essa técnica à imagem de objetos remotos na Terra (1). Eles desenvolveram um sistema que usa várias vigas a laser para iluminar um alvo distante e usa um par de pequenos telescópios para coletar a luz refletida. A equipe demonstrou que esse interferômetro de intensidade pode imaginar letras milimétricas a uma distância de 1,36 km, uma melhoria de 14 vezes na resolução espacial em comparação com um único telescópio.
A interferometria é comum na radiotonomia, onde as amplitudes de sinal de uma grande variedade de radiotelescópios são somadas juntas de uma maneira que depende das fases relativas das ondas de rádio. A interferometria de intensidade é outra coisa. Não envolve adição de amplitudes ou preservação de fases. Em vez disso, a luz é registrada de uma única fonte em dois detectores separados (ou telescópios), e as flutuações nas intensidades dos dois sinais são comparadas. As informações espaciais sobre a fonte provêm da análise de como essas flutuações estão correlacionadas no tempo e como essa correlação depende da separação do detector.
As correlações podem ser difíceis de entender intuitivamente, e existem explicações quânticas e clássicas. Uma descrição quântica envolve interferência de dois fótons. Think about que o fóton 1 vem do lado esquerdo da fonte e chega ao detector A, ao mesmo tempo em que o Photon 2 vem do lado direito da fonte e chega ao detector B. Esse cenário é observacionalmente indistinguível do Photon 1 que chega a B e Photon 2 chegando a A. A indistinguível leva a interferência quântica que causa um simultâneo de um simultâneo Essa correlação diminui à medida que a separação entre os detectores aumenta.
Com uma primeira demonstração em 1956, a interferometria de intensidade se mostrou útil na medição de diâmetros de estrelas (2). Ainda assim, a técnica é menos comum que a interferometria da amplitude, pois esta última oferece um sinal mais forte em comparação com o ruído. Mas existem situações “desordenadas” em que a luz é parcialmente embaralhada e a interferometria de amplitude se torna desafiadora, diz Qiang Zhang, da Universidade de Ciência e Tecnologia da China. Essas situações incluem imagens ópticas na presença de turbulência atmosférica e imagem biomédica através dos tecidos.
Distante. Esquerda: O sistema de interferômetro inclui multilasers para iluminar o alvo e um par de detectores para coletar a luz refletida. Direita: quatro alvos de letras são mostrados com suas imagens reconstruídas.
Distante. Esquerda: O sistema de interferômetro inclui multilasers para iluminar o alvo e um par de detectores para coletar a luz refletida. Direita: quatro alvos de letras são mostrados com suas imagens reconstruídas.
Até agora, os alvos de interferometria de intensidade são objetos distantes brilhantes (como estrelas) ou objetos não luminosos que podem ser iluminados por uma fonte próxima. Zhang e seus colegas agora desenvolveram um interferômetro de intensidade para imagens remotas através da atmosfera. Consiste em dois telescópios e um sistema a laser infravermelho instalado no mesmo banco óptico. A luz a laser ilumina o objeto alvo, que nos testes da equipe estava localizado em outro edifício a 1,36 km de distância.
O principal desafio é que a luz do laser é coerente-os fótons têm fases relacionadas-o que faz com que as flutuações de intensidade observadas sejam dominadas pelas variações internas no laser (o chamado ruído de tiro). Para evitar esse problema, a equipe dividiu seu laser de 100 milhões em oito vigas. Cada feixe viaja por um caminho ligeiramente diferente através da atmosfera turbulenta e, portanto, recebe uma perturbação de fase aleatória diferente. Contra intuitivamente, essa iluminação incoerente torna os efeitos de interferência observáveis.
Para demonstrar os recursos do sistema, a equipe criou uma série de alvos de 8 mm de largura, cada um feito de um materials reflexivo e impresso com uma carta. Para gerar uma imagem, os pesquisadores variaram a separação entre os dois telescópios de 7 a 87 cm. Eles também giravam incrementalmente o alvo em 360 °. Ao detectar a luz do laser refletida e analisar as correlações nas flutuações de intensidade, os pesquisadores poderiam reconstruir as formas da letra. As observações demonstraram uma resolução de 3 mm, enquanto um dos telescópios por si só teria uma resolução de 42 mm – fal demais para entender as letras.
Zhang e seus colegas planejam desenvolver ainda mais essa tecnologia, melhorando seu controle sobre a luz do laser. Eles também planejam incorporar o aprendizado profundo no software program de reconstrução de imagens. Zhang diz que uma aplicação em potencial pode ser a detecção de detritos espaciais – a luz do laser pode ser brilhada em objetos de órbita nas proximidades.
“O novo trabalho representa um avanço técnico significativo na imagem de objetos distantes que não emitem sua própria luz”, diz Shaurya Aarav, pesquisadora da Quantum Optics da Universidade de Sorbonne, na França. Ele imagina que o sistema de imagem remota pode ter várias aplicações, incluindo o monitoramento das populações de insetos em toda a terra agrícola. O especialista em ótica Ilya Starshynov, da Universidade de Glasgow, Reino Unido, está impressionado com o sistema “inteligente” para fornecer luz incoerente a um alvo distante. “O fato de que eles podem imaginar objetos do tamanho de milímetro a distâncias de excesso de quilômetros é genuinamente impressionante”, diz ele.
–Michael Schirber
Michael Schirber é um editor correspondente para Revista de Física Sediada em Lyon, França.
