一种基于高阶关联光场的关联成像装置及其控制方法与流程

1.本发明属于量子通信技术领域，尤其涉及一种基于高阶关联光场的关联成像装置及其控制方法。


背景技术：

2.光学成像应用于生产生活的方方面面。传统光学成像是利用光场的一阶关联获取物体信息，具体应用如显微镜、望远镜等。随着量子物理的发展，量子物理与成像技术的结合催生了一个交叉学科，即量子成像，又称为关联成像。关联成像是利用光场的高阶关联来获取物体的空间或者位置信息。
3.关联成像将关联光源分成两路，等探测物体置于其中一路，而像在另一路获得。用于实现成像的光子本身并没有接触到等探测物体，属于离物成像方式。
4.在实现过程中，现有关联成像光路较为复杂，装置体积大，需要改进。


技术实现要素：

5.本发明实施例的目的在于提供一种基于高阶关联光场的关联成像装置，旨在解决现有关联成像光路复杂，装置体积大的问题。
6.本发明实施例是这样实现的，一种基于高阶关联光场的关联成像装置，所述基于高阶关联光场的关联成像装置包括沿光路传播方向布置的关联光子源模块、光子束放大模块、成像扫描模块以及光子探测模块；
7.所述关联光子源模块用于产生关联光子源；
8.所述光子束放大模块用于放大所述关联光子源模块产生的光源；
9.所述成像扫描模块用于将参考光路中反射镜前的物体在扫描光路扫描出来，所述成像扫描模块的光路分为两路，一路进入所述成像扫描模块的扫描光路，另一路进入成像扫描模块的参考光路；
10.所述光子探测模块包括两个接收端，用于接收来自所述成像扫描模块的光，所述光子探测模块用于符合测量计数。
11.本发明实施例的另一目的在于提供一种基于高阶关联光场的关联成像装置的控制方法，应用于本发明实施例所述的基于高阶关联光场的关联成像装置，所述基于高阶关联光场的关联成像装置的控制方法包括以下步骤：
12.启动关联光子源模块并调整，联合转动第一四分之一波片和第一半波片的长轴角度，使输出相位和光强稳定的水平偏振激光；调节第一透镜和第一透镜的位置使输入非线性晶体的光为缩小的、准直的激光；
13.调节第三透镜和第四透镜的位置，使非线性晶体位于第三透镜的焦点上，第三透镜和第四透镜间距为2倍焦距，扩束镜前镜和第四透镜间距为两焦距之和；
14.调节第三偏振分束器和反射镜位置，使第三偏振分束器与反射镜相距设定值，调节第二四分之一波片的长轴角度，使输出反射的水平偏振光达到最大；
15.调节第五透镜的位置，使焦点位于第一多模光纤处；调节多模光纤的位置及角度来收集并耦合进单光子探测器，同时另一路由关联光子源模块中的水平偏振光子作为扫描单光子也被收集并耦合至另一单光子探测器，然后两路光子产生的信号到达符合计数器进行符合测量计数。
16.本发明实施例提供的基于高阶关联光场的关联成像装置利用双光子复合探测恢复待测物体空间信息，实现了探测和成像的分离，是一种非定域的成像方式，即离物成像。本发明光路简洁方便，关联光子对制备效率高，同时具有体积小，重量轻，易于移动的优点，相比于其它关联成像装置更容易应用到实际生活中，对于量子关联成像领域有重要意义。
附图说明
17.图1为本发明提供的基于高阶关联光场的关联成像装置的结构框图；
18.图2为本发明的关联光子源模块的结构图；
19.图3为本发明的光子束放大模块的结构图；
20.图4为本发明的成像扫描模块的结构图；
21.图5为本发明的光子探测模块的结构图；
22.图6为本发明的实验数据结果图。
23.附图中：1、关联光子源模块；11、激光器；12、第一透镜；13、第一四分之一波片；14、第一半波片；15、第一偏振分束器；16、第二透镜；17、非线性晶体；2、光子束放大模块；21、第三透镜；22、第四透镜；23、光束放大器；3、成像扫描模块；31、第二偏振分束器；32、第一滤光片；33、第三偏振分束器；34、第二四分之一波片；35、反射镜；36、第五透镜；37、第二滤光片；4光子探测模块；41、第一多模光纤；42、第二多模光纤；43、第一单光子探测器；44、第二单光子探测器；45、符合计数器。
具体实施方式
24.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
25.以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述。
26.如图1所示，为本发明实施例提供的一种基于高阶关联光场的关联成像装置的结构框图，所述基于高阶关联光场的关联成像装置包括沿光路传播方向布置的关联光子源模块1、光子束放大模块2、成像扫描模块3以及光子探测模块4；
27.所述关联光子源模块1用于产生关联光源；
28.所述光子束放大模块2用于放大所述关联光子源模块1产生的光源；
29.所述成像扫描模块3用于将参考光路中反射镜前的物体可以在扫描光路扫描出来，所述成像扫描模块的输出光路分为两路，一路进入所述成像扫描模块3的扫描光路，另一路进入成像扫描模块3的参考光路；
30.所述光子探测模块4包括两个接收端，用于接收来自所述成像扫描模块3的光，所述光子探测模块4用于符合测量计数。
31.在本发明实施例中，关联光子源模块1受控产生激光光源，本发明实施例以获取1m
处物体信息为例进行说明，光源光束的中心波长为405nm，经过关联光子源模块1的进一步处理后得到波长为405nm和810nm的混合光束。光子束放大模块2对光源产生的光束进入放大处理，以使光束的成像范围扩大。成像扫描模块3将光束分为水平偏振光扫描光路以及竖直偏振光参考光路，从而可以使扫描光路对参考光路中的物体进行扫描，即离物成像。光子探测模块4包括两个接收端，通过接收来自光子束放大模块2以及成像扫描模块3的光，经过关联计算可以推算出物体的像，从而实现离物成像。需要说明的是，关联计算的过程可以在其它计算机设备上进行，本发明实施例提供的装置主要用于数据的获取，当然，将运算功能结合到本发明实施例提供的装置上属于本发明一种可选具体实现方式。
32.本发明实施例提供的基于高阶关联光场的关联成像装置利用双光子复合探测恢复待测物体空间信息，实现了探测和成像的分离，是一种非定域的成像方式，即离物成像。本发明光路简洁方便，关联光子对制备效率高，同时具有体积小，重量轻，易于移动的优点，相比于其它关联成像装置更容易应用到实际生活中，对于量子关联成像领域有重要意义。
33.如图2所示，在本发明一个实施例中，所述关联光子源模块1包括沿光路传播方向依次设置的激光器11、第一透镜12、波片组13、14、第一偏振分束器15、第二透镜16以及非线性晶体17；
34.所述激光器11用于泵浦光束为整个装置提供初始光束；
35.所述第一透镜12与所述第二透镜16用于光束进入所述非线性晶体17之前的缩小和准直；
36.所述波片组用于泵浦光的相位调制；
37.所述第一偏振分束器15与所述波片组配合，用于保持泵浦光相位稳定的同时调整出射光束的强度；
38.所述非线性晶体17用于对泵浦光进行转换以得到具有810nm波长的光束。
39.在本发明实施例中，激光器11可以采用一个半导体连续激光，作为泵浦光束为整个装置提供初始光束。在一个具体实施例中，光束的中心波长为405nm，光谱线宽小于0.06nm，输出功率可达66mw。第一透镜12和第二透镜16为不同款型号的透镜，工作波长为405nm，第一透镜12焦距f为100mm，第二透镜16焦距f为50mm。非线性晶体17可以采用ppktp晶体(磷酸钛氧钾晶体)，用于产生正交偏振的关联光子对。非线性晶体17利用自发参量下转换过程，使入射至晶体的405nm泵浦光转化成810nm光，由于光路为共线光路，所以非线性晶体17射出的光为405nm和810nm的混合光束。非线性晶体17长度为5mm，非线性晶体17在光传播方向的两个端面镀有405nm和810nm波长的增透膜，在泵浦光强1mw时，关联光子对的产生率为2500hz/mw/s，具有较高的亮度。
40.本发明的关联光子源模块1通过非线性晶体17制备的关联光子对，光路简洁方便，关联光子对制备效率高。
41.如图2所示，在本发明一个实施例中，所述波片组包括沿光路传播方向依次设置的第一四分之一波片13和第一半波片14；所述第一四分之一波片13以及所述第一半波片14的长轴角度可调以输出相位与光强稳定的水平偏振激光。
42.在本发明实施例中，第一四分之一波片13、第一半波片14、第一偏振分束器15的工作波长均为405nm，波片的作用主要用于调整光束的偏振状态，第一四分之一波片13和第一半波片14组合成波片组，可将泵浦光调制至任何相位。波片组同第一偏振分束器15配合作
用，可以在保持泵浦光相位稳定的同时调整出射光束的强度。405nm泵浦光经过第一四分之一波片13、第一半波片14和第一偏振分束器15的作用后，输出相位稳定光强为1mw的水平偏振光。
43.本发明采用四分之一波片、半波片和偏振分束器组合，能够获得光子束的水平偏振光相位，并可调节光子束的入射光的光强。
44.如图3所示，在本发明一个实施例中，所述光子束放大模块2包括沿光路传播方向依次设置的4f成像系统以及光束放大器23；
45.所述4f成像系统用于减小非线性晶体产生的单光子在空间传播过程中的相位畸变，高度保持原有关联关系；
46.所述光束放大器23焦距可调，且所述光束放大器23的前焦点与所述成像系统的后焦点重合，所述光束放大器23输出的光束与所述关联光子源模块1输出的准直光成放大关系。
47.在本发明实施例中，光子束放大模块2包括沿关联光子源模块1生成的自旋单光子束的光路方向依次设置的成像系统以及光束放大器23。非线性晶体17位于成像系统的物点，成像系统将非线性晶体17束腰处输出的准直光直接搬运到光束放大器23的前焦点处。光束放大器23焦距可调，放大倍数可调，可放大5-10倍。光束放大器23的前焦点与成像系统的后焦点重合，光束放大器23输出的光束与非线性晶体17束腰处输出的准直光成放大关系。
48.如图3所示，在本发明一个实施例中，所述成像系统包括第三透镜21以及第四透镜22；
49.所述第三透镜21与所述第四透镜22焦距相同，且两组成4f成像系统。
50.在本发明实施例中，第三透镜21和第四透镜22为同款型号的透镜，工作波长为810nm，第三透镜21和第四透镜22焦距f均为50mm。第三透镜21和第四透镜22构成4f成像系统，两者间距为两倍的透镜焦距100mm。非线性晶体17位于4f成像系统的物点，即第三透镜21置于非线性晶体17后50mm处。第三透镜21和第四透镜22作为4f系统将非线性晶体17束腰处输出的准直光直接搬运到第四透镜22的焦点处。搭建4f成像系统用于减小非线性晶体产生的单光子在空间传播过程中的相位畸变，使单光子高度保持原有关联关系。
51.本发明的第三透镜21和第四透镜22的焦距均等，且第三透镜21和第四透镜22的间距为两倍的焦距。第三透镜21和第四透镜22构成4f成像系统，对于4f系统，可以有效的减小非线性晶体17出射光的相位畸变。
52.如图4所示，在本发明一个实施例中，所述成像扫描模块3包括第二偏振分束器31、第一滤光片32以及参考光路；
53.所述第二偏振分束器31用于将入射的光束分离为水平偏振透射光束以及竖直偏振反射光束；
54.所述第一滤光片32位于所述第二偏振分束器31透射光路的出射端，用于接收并过滤水平偏振透射光束；
55.所述参考光路用于将所述竖直偏振反向光束转换为水平偏振光束。
56.在本发明实施例中，第二偏振分束器31工作中心波长为810nm，其作用是当光束垂直入射其端面时，分离成水平偏振透射光束和竖直偏振反射光束。第一滤光片32位于第二
偏振分束器31透射光路的末端，用于接收并过滤水平偏振透射光束。第一滤光片32为带通滤光片，其工作中心波长为800nm，半高宽40nm，将空间光束中非单光子信号滤除，完成对光频率的滤光功能，用于提高测试系统的信噪比。
57.如图4所示，在本发明一个实施例中，所述参考光路包括第三偏振分束器33、第二四分之一波片34、反射镜35、第五透镜36以及第二滤光片37；
58.所述第二偏振分束器31产生的竖直偏振反射光束进入所述第三偏振分束器33后，反射进入所述第二四分之一波片34以及所述反射镜35，所述第三偏振分束器33用于将经过所述第二四分之一波片34和所述反射镜35的竖直偏振反射光束转换为水平偏振透射光束以射入第五透镜36中，进而射入所述光子探测模块4；
59.所述第二四分之一波片34以及反射镜35用于将竖直偏振反射光束转换为水平偏振透射光束；
60.所述第五透镜36用于将收集到的光束射入所述光子探测模块4；
61.所述第二滤光片37用于将空间光束中非单光子信号滤除以完成对光频率的滤光功能，从而提高信噪比。
62.在本发明实施例中，第二滤光片37位于第二偏振分束器31反射光路中的末端，接收竖直偏振反射光束。第二滤光片37和第一滤光片32为同型号带通滤光片，其工作中心波长为800nm，半高宽40nm，将空间光束中非单光子信号滤除，完成对光频率的滤光功能，用于提高测试系统的信噪比。第二四分之一波片34工作波长为810nm，将竖直偏振反射光束通过旋转波片长轴角度将竖直偏振反射光束转换为水平偏振透射光束。第三偏振分束器33工作中心波长为810nm，其作用是将经过第二四分之一波片34以及反射镜35的竖直偏振反射光束转换为水平偏振透射光束，射入第五透镜36中，进而射入多模光纤中。第五透镜36焦距f为35mm，其作用是将收集到的光束全部射入多模光纤中。
63.如图5所示，在本发明一个实施例中，所述光子探测模块4包括第一多模光纤41，第一单光子探测器43、第二多模光纤42、第二单光子探测器44以及符合计数器45；
64.所述第一多模光纤41和所述第二多模光纤42尺寸以及工作波长相同，其中，所述第二多模光纤42安装于位移台上，可以横向扫描；
65.所述第一单光子探测器43和第二单光子探测器44分别与所述第一多模光纤41、所述第二多模光纤42对应，用于接收单光子，利用光电转换原理探测出光子的信息并传递至符合计数器45；
66.所述符合计数器45用于符合计数。
67.在本发明实施例中，关联光子源模块1生成的自旋单光子束经光束放大模块、第二多模光纤42、第二单光子探测器44进入到符合计数器45；另一组经光束放大模块射入至成像扫描模块3后经第一多模光纤41、第一单光子探测器43进入到符合计数器45。第一多模光纤41和第二多模光纤42均为200um多模光纤，工作波长为810nm，第二多模光纤42安装在位移台上，可以横向扫描。同时，第一单光子探测器43和第二单光子探测器44用于接收单光子，利用光电转换原理探测出光子的信息并传递至符合计数器45中。第一多模光纤41位于第五透镜36成像的像点处，即第五透镜36后35mm处，用于提高第一多模光纤41的耦合效率。
68.在本发明实施例中，符合计数器45用于符合计数。原理是采用双通道输入信号，分别接收来自第一单光子探测器43和第二单光子探测器44的输出信号，每个通道单独计数，
通过显示屏主界面设置窗口时间和延时时间等参数，在设定的符合时间窗内探测脉冲到来，根据符合测量结果进行计数，即关联光子对的数量。
69.本发明的成像扫描模块3和光子探测模块4相互配合，当光子探测模块4中的符合计数器45采集到了关联光子对，则表明成像扫描模块3可以在1m处收集到关联光子对；本发明设计的光路不仅可以在1m处收集到关联光子对，并且在1m处的成像分辨率可以达到很高。
70.在本发明一个实施例中，所述非线性晶体17朝光传播方向的两个端面镀有增透膜，增透膜的作用是增强光束的透过率并且与混合光束的波长对应。
71.在本发明实施例中，非线性晶体17在光传播方向的两个端面镀有405nm和810nm波长厚度的两层增透膜，在泵浦光强1mw时，关联光子对的产生率为2500hz/mw/s，具有较高的亮度。
72.本发明一个实施例还提供了一种基于高阶关联光场的关联成像装置的控制方法，应用于本发明实施例所述的基于高阶关联光场的关联成像装置，所述基于高阶关联光场的关联成像装置的控制方法包括以下步骤：
73.启动关联光子源模块1并调整，联合转动第一四分之一波片13和第一半波片14的长轴角度，使输出相位和光强稳定的水平偏振激光；调节第一透镜12和第一透镜12的位置使输入非线性晶体17的光为缩小的、准直的激光。准直激光射入晶体后产生关联的水平偏振单光子和竖直偏振单光子。
74.调节第三透镜21和第四透镜22的位置，使非线性晶体17位于第三透镜21的焦点上，第三透镜21和第四透镜22间距为2倍焦距，扩束镜前镜和第四透镜22间距为两焦距之和；
75.调节第二偏振分束器31和第三偏振分束器33位置，使第三偏振分束器33与反射镜35相距设定值，调节第二四分之一波片34的长轴角度，使输出反射的水平偏振光达到最大。这里的设定值为1m。
76.调节第五透镜36的位置，使焦点位于第一多模光纤41处；调节多模光纤的位置及角度来收集并耦合进单光子探测器，同时另一路由关联光子源模块1中的水平偏振光子作为扫描单光子也被收集并耦合至另一单光子探测器，然后两路光子产生的信号到达符合计数器45进行符合测量计数。
77.记录或者导出测试数据，具体如下表所示：
78.表1：测试数据
[0079][0080][0081]
在本发明实施例中，对1m远的400um物体进行扫描成像得到的结果图如图6所示，扫描光斑直径大于5mm，对实际物体成像放大2倍。对距离1m远的400um物体成像时，考虑到有放大倍数的影响，用200um多模光纤扫描时，对应的等效分辨率约为100um。
[0082]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。