廈門大學的研究人員開發了一個單光子拉曼激光雷達系統,它可以在水下操作,遠程識別各種物質。

石油能源的運輸主要途徑是密布海底的輸油管道，為了保護海洋環境，檢測水下輸油管道是否存在泄漏是一個重大課題。

據《激光制造網》了解，近日，廈門大學宣布開發出了一個新的單光子拉曼激光雷達系統，這是一款更緊湊、更節能的激光雷達系統，該系統可以在惡劣的海底環境中操作使用，遠程識別石油和其它物質。將激光雷達系統集成到自主水下航行器中將使該設備更容易檢查深層管道，還可以探測沉積物類型和勘探海洋資源。

該研究團隊發表在《應用光學》的一篇論文稱，傳統的拉曼激光雷達系統依靠增加激光功率和望遠鏡孔徑來實現遙感探測,這導致了大系統尺寸和大功率消耗,使得激光雷達系統很難與水下飛行器相結合。利用單光子探測技術使這項工作成為可能。

盡管激光雷達的遙感能力通常與大氣應用相關，從農業測量到自動駕駛汽車，但科學家們也一直致力于探索光子傳感技術的發展,將其作為通往更加通用的海洋激光雷達平臺的途徑,以將其能力擴展到水下環境領域。傳統激光雷達系統的探測深度有限,特別是在惡劣的海洋環境中，但是拉曼激光雷達探測彈性反散射光和特定分子的拉曼信號,可以在不同深度使用,且不受海洋條件的影響。

在2023年5月，赫里奧特-瓦特大學就曾宣布一種基于皮秒分辨率時間相關單光子計數的替代激光雷達設備，據說由于該架構允許增強的靈敏度，該設備適合水下使用。

據廈門大學的研究團隊介紹,他們的雷達設備長40厘米,直徑20厘米,可承受水下1公里的運行條件。

在測試演示中,新的激光雷達系統被用來檢測距離雷達系統幾米遠的石英電池中的不同厚度的汽油。激光雷達系統和石英電池都被淹沒在一個巨大的水池中,深度為0.6米。在這些概念驗證試驗中,激光雷達系統能夠檢測和區分1到15毫米范圍內的汽油厚度。

“由于單光子的敏感性，用脈沖能量為1微焦耳的激光器和直徑為22.4毫米的望遠鏡實現了對水下石油相對較弱的拉曼背向散射信號的探測，”研究團隊在論文中指出，“進行了一次實驗演示，獲得了不同厚度的水下石油的距離分辨拉曼背向散射，距離達12米。”

研究人員現在正致力于增加單光子激光雷達系統的探測通道和拉曼光譜分辨率,以提高其鑒別水中不同物質的能力。這將使其能夠用于分析水下氣泡的類型，以及檢測珊瑚和錳結核礦物質。