单光子拉曼激光雷达系统可用于探测水下物质

研究人员展示了一种新的单光子拉曼激光雷达系统，该系统在水下运行，可以远程区分各种物质。他们还表明，新系统可以探测水下12米外的石油厚度，这对于检测漏油很有用。 中国厦门大学研究团队负责人Mingjia Shangguan说：“区分水中的物质并检测它们在海洋中的分布特征对海洋监测和科学研究具有重要意义。例如，我们展示的水下石油遥感可用于监测水下石油管道的泄漏。” 虽然基于拉曼信号的激光雷达方法以前已用于探测水下物质，但现有的系统是不切实际的，因为它们体积庞大且需要大量电力。

在《应用光学》杂志上，研究人员描述了他们的新激光雷达系统，该系统仅使用1μJ的脉冲能量和22.4毫米的接收器孔径。整个激光雷达系统长40厘米，直径20厘米，可在水下运行长达1公里。为了提高灵敏度，研究人员将单光子检测整合到其紧凑的水下拉曼激光雷达系统中。

Shangguan说：“在自主水下航行器或遥控车辆上安装水下拉曼激光雷达系统可以监测水下输油管道的泄漏。它也可能用于勘探海洋资源或用于检测海底沉积物类型，如珊瑚礁。”

水下激光雷达中的单光子灵敏度

设计用于船舶、飞机或卫星水上运行的传统激光雷达系统可以实现大规模的海洋剖面，但其探测深度有限，尤其是在波涛汹涌的海况下。然而，拉曼激光雷达系统可用于不同深度的水下分析，而不受海况的影响。 拉曼激光雷达的工作原理是向水中发射绿色激光脉冲，与油等物质相互作用。这会激发可用于识别物质的非弹性拉曼信号。通过测量特定波长的拉曼信号强度，激光雷达可以提供有关水中含油量的信息。

Shangguan说：“传统的拉曼激光雷达系统依靠不断增加的激光功率和望远镜孔径来实现遥感探测，这导致系统体积大，功耗高，难以将激光雷达系统集成到水下航行器上。单光子检测技术的使用通过将检测灵敏度提高到单光子的水平，使这项工作成为可能。”

研究人员展示了他们的新激光雷达系统，用它来检测距离系统12米的石英电池中不同厚度的汽油。激光雷达系统和石英电池都淹没在一个大水池中，深度为0.6米。激光雷达系统能够检测和区分所有厚度的汽油，范围从1毫米到15毫米不等。 研究人员现在正在努力增加单光子激光雷达系统的检测通道数量和拉曼光谱分辨率，以增强其区分水中不同物质的能力。这将使它能够用于分析水下气泡类型并检测珊瑚和锰结核。 编辑：黄飞