CN102080988B - 一种实时检测单光子偏振量子态的装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实时测量单光子光束偏振状态的测试装置及方法，该装置包括测试系统和定标系统两部分。该测试装置利用能量分光镜和相位分光镜将被测光束分为四束，分别由四个单光子探测器对输入信号进行探测。利用定标装置获取系统的最优仪器矩阵；在测试时根据仪器矩阵和测试信号能得到被测信号的斯托克斯矢量。本发明的优点是：系统中无转动部件，测试速度快；测试系统充分的利用了被测试光束的能量，可用于单光子或极微弱光束的偏振状态检测；系统中有可变相位补偿器，能获取最优的系统仪器矩阵，测试精度高，结果可靠。

Description

一种实时检测单光子偏振量子态的装置与方法

技术领域

本发明涉及光束偏振的斯托克斯矢量检测，特别是指单光子状态下或微弱能量光束的偏振情况的实时检测。

背景技术

偏振是光的一种特性，可以分为平面偏振光(线偏振光)、圆偏振光和椭圆偏振光。偏振信息已经在地物遥感探测、大气探测、水下探测、天文探测、医学诊断、目标检测、图像处理和军事应用等领域得到广泛应用。斯托克斯矢量是描述光偏振状态的一种有效而全面的方法，斯托克斯矢量的检测也受到人们的关注。现在已有的斯托克斯偏振检测仪器大多数采用旋转波片前后继承的方式获取光束的偏振状态，这种方式适合于恒定或缓变的连续光束的测量，不适合于瞬变或脉冲光束及单光子状态下光束的偏振测量。

单光子信号也具有偏振量子态，随着单光子探测技术的日趋成熟，对单光子的偏振应用已经在技术上可以实现，因此，基于单光子层面的偏振信息应用研究逐渐成为国内外科技工作者重点关注的内容之一。量子保密通信就是单光子偏振信息应用的主要领域之一，在量子通信的经典协议BB84中，密钥的分发就是利用光子的偏振态来代表经典二进制码(bit)，对信号进行编码，其中水平或45°偏振对应于经典比特0，竖直或135°偏振对应于经典比特1。在量子通信过程中，单光子信号从发射端发射到接收端接收都要经过镜面的一系列反射或折射，它们会改变信号的偏振状态。这些偏振状态的改变量需要能精确的检测出来以便利用相位补偿器对其进行补偿。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的缺陷，提供一种高速的、高精度的、高灵敏度的检测单光子或微弱光束的偏振状态的装置及方法。

本发明的测试装置包括：测试系统和定标系统(图1)两部分。

测试系统由无镀膜石英分光片1，能量分束比为1∶1分光镜2，第一可调相位补偿器3-1、第二可调相位补偿器3-2、第一偏振分光镜4-1、第二偏振分光镜4-2、第一能量探测单光子探测器5-1、第二能量探测单光子探测器5-2、第三能量探测单光子探测器5-3、第四能量探测单光子探测器5-4和能量监视单光子探测器6组成。

所述实时检测单光子偏振状态的原理和步骤如下：

1、被测光束D经过无镀膜石英分光片1被分为光束D1和光束D2两路，光束D1占总能量的96％，作为测试光束进入系统；光束D2占总能量的4％，作为能量监视光束由能量监视单光子探测器6探测，光束D2的能量为I₀。

2、光束D1被能量分束比为1∶1分光镜2分为光束D1-1和光束D1-2。

3、光束D1-1经过第一可调相位补偿器3-1后，调节第一可调相位补偿器3-1的方位和相位，使之调节由能量分束比为1∶1分光镜2造成的相位偏移。第一偏振分光镜4-1将光束D1-1分为偏振状态相互正交的光束d1和光束d2。光束d1由第一单光子探测器5-1探测输出，输出能量为I₁；光束d2由第二单光子探测器5-2探测输出，输出能量为I₂。

4、光束D1-2经过第二可调相位补偿器3-2后，调节第二可调相位补偿器3-2的方位和相位，使之补偿由能量分束比为1∶1分光镜2造成的相位偏移。第二偏振分光镜4-2将光束D1-2分为偏振状态相互正交的光束d3和光束d4。光束d3由第三单光子探测器5-3探测输出，输出能量为I₃，光束d4由第四单光子探测器5-4探测输出，输出能量为I₄。

5、第一单光子探测器5-1、第二单光子探测器5-2、第三单光子探测器5-3、第四单光子探测器5-4对应的能量输出可以写为一个矩阵I，如式(1)所示，T表示转置

I＝【I₁，I₂，I₃，I₄】^T                                 (1)若能求得测试系统(图1)的仪器矩阵A，则根据公式(2)可计算求出被测信号光的斯托克斯矢量。A^-1为A的逆矩阵。

S＝A^-1I                                                (2)

仪器矩阵的获得可以根据定标过程求得。

定标过程如下：

1)定标系统由波长可调谐激光器7、小孔光阑8、起偏器9、λ/4波片10组成。

2)调节起偏器9和λ/4波片10的方位角度，使得光束C变换四个线性无关的偏振态，每一个偏振态光束对应的斯托克斯矢量可以表示为S_ik(i＝1，2，3，4；k＝0，1，2，3)。

3)将每一个偏振态光束C输入到测试系统(图1)中，对应得出单光子探测器的四个输出信号值I_ij(i＝1，2，3，4；j＝1，2，3，4)。

4)将上述测量结果组合成矩阵可以得到如下公式(3)

$\left[\begin{array}{cccc}{I}_{11}& I_{21}& I_{31}& I_{41}\\ I_{12}& I_{22}& I_{32}& I_{42}\\ I_{13}& I_{23}& I_{33}& I_{43}\\ I_{14}& I_{24}& I_{34}& I_{44}\end{array}\right]=A\left[\begin{array}{cccc}{S}_{10}& S_{20}& S_{30}& S_{40}\\ S_{11}& S_{21}& S_{31}& S_{41}\\ S_{12}& S_{22}& S_{32}& S_{42}\\ S_{13}& S_{23}& S_{33}& S_{43}\end{array}\right]---\left(3\right)$

5)当S_ik组成的矩阵S存在逆矩阵时，可以求得测试系统的仪器矩阵A为：

$A=\left[\begin{array}{cccc}{I}_{11}& I_{21}& I_{31}& I_{41}\\ I_{12}& I_{22}& I_{32}& I_{42}\\ I_{13}& I_{23}& I_{33}& I_{43}\\ I_{14}& I_{24}& I_{34}& I_{44}\end{array}\right]{\left[\begin{array}{cccc}{S}_{10}& S_{20}& S_{30}& S_{40}\\ S_{11}& S_{21}& S_{31}& S_{41}\\ S_{12}& S_{22}& S_{32}& S_{42}\\ S_{13}& S_{23}& S_{33}& S_{43}\end{array}\right]}^{-1}---\left(4\right)$

6、在获知光束的斯托克斯矢量后根据下述公式就可得知被测光束的偏振形态方位角θ和偏振度ε。

$\mathrm{\θ}=\frac{1}{2}\arctan (S_2/S_1)---\left(5\right)$

$\mathrm{\ϵ}=\frac{1}{2}\arcsin \frac{S_3}{{(S_1^2+S_2^2+S_3^2)}^{\frac{1}{2}}}---\left(6\right)$

本发明的优点是：测试装置没有转动部件，可以实时测量，测量速度高；测量系统中有连续可变的相位补偿器，在定标阶段可通过调节相位补偿器获得理想的仪器矩阵，测试精度高；

测试系统充分的利用了所有的输入光能量，并在探测阶段采用单光子探测器，可用于单光子和极微弱光的偏振检测，测试灵敏度高；

可检测的波段范围宽。

附图说明

图1为本发明的测量装置和定标装置示意图；

图中：

1为石英分光平片；

2为能量分束比1∶1分光镜；

3-1为第一可调相位补偿器；

3-2为第二可调相位补偿器；

4-1为第一偏振分束镜；

4-2为第二偏振分束镜；

5-1为第一单光子探测器；

5-2为第二单光子探测器；

5-3为第三单光子探测器；

5-4为第四单光子探测器；

6为能量监视单光子探测器。

7为波长可调谐激光器；

8为小孔光阑；

9为偏振发生器；

10为λ/4波片。

具体实施方式

下面根据图1给出本发明一个较好实施例并作详细阐述：

图1为本发明测量装置和定标装置示意图，由对石英分光平片1、分束比为1∶1的分光镜2、索列尔-巴俾涅相位补偿器3和7、沃拉斯顿棱镜4和8、铂金埃尔默公司SPCM-AQRH-16-FC型号的单光子探测器5、6、9、10、11组成，其中石英分光平片的能量分束比为96∶4，图1中的定标系统由波长为852nm的激光器7、5mm的光阑孔8、偏振片9和λ/4波片10组成。利用图1定标装置中的起偏器3和λ/4波片4的四种角度组合产生四组线性无关的偏振态。这四种线性无关的偏振态分别为水平振动线偏振光、方位角为30度振动的线偏振光、右旋圆偏振光和左旋圆偏振光。对应的斯托克斯矢量分别为【1100】^T，【10.4990.750.433】^T，【1001】^T，【100-1】^T。利用这四组偏振光进行四次测试得到四组输出数据，根据上述计算方法得到该系统的仪器矩阵为

$A=\left[\begin{array}{cccc}0.2405& 0.152& 0.751& 0.005\\ 0.2477& 0.595& -0.78& -0.005\\ 1.01& -0.6033& 0.005& -0.7716\\ 1.032& 0.582& 0.029& 0.8255\end{array}\right]---\left(7\right)$

该矩阵存在逆矩阵A^-1，为

$A^{-1}=\left[\begin{array}{cccc}1.016& 0.991& 0.979& 1.014\\ 2.801& -3.158& 0.2309& 0.303\\ -0.138& 0.150& -3.310& 3.493\\ 2.005& 1.457& -1.781& -1.866\end{array}\right]---\left(8\right)$

利用得到的仪器矩阵对已知的四个偏振态进行测量，并利用公式(1)计算出测试光束的斯托克斯矢量，得到该仪器测试出的斯托克斯矢量与实际光束的斯托克斯矢量偏差＜1％。

Claims (2)

1.一种实时检测单光子偏振量子态的装置，它包括测试系统和定标系统两部分，测试系统由石英分光片，能量分束比为1∶1分光镜，两个可调相位补偿器、两个偏振分光镜、四个能量探测单光子探测器组成；定标系统由波长可调谐激光器、小孔光阑、起偏器、λ/4波片组成，其特征在于：

所述的测试系统中，被测光束D经过石英分光平片(1)被分为光束D1和光束D2两路，石英分光平片未镀膜，光束D1占总能量的96％，作为测试光束进入系统；光束D2占总能量的4％，由能量监视单光子探测器(6)探测，光束D2的能量为I₀；

光束D1被能量分束比为1∶1分光镜(2)分为光束D1-1和光束D1-2；

光束D1-1经过第一可调相位补偿器(3-1)后，可以补偿由能量分束比为1∶1分光镜(2)造成的相位偏移，第一偏振分光镜(4-1)将光束D1-1分为偏振状态相互正交的光束d1和光束d2，光束d1由第一单光子探测器(5-1)探测输出，输出能量为I₁，光束d2由第二单光子探测器(5-2)探测输出，输出能量为I₂；

光束D1-2经过可调相位补偿器(3-2)后，调节相位补偿器(3-2)的方位和相位，可以补偿由能量分束比为1∶1分光镜(2)造成的相位偏移，第二偏振分光镜(4-2)将光束D1-2分为偏振状态相互正交的两束光d3和d4，光束d3由第三单光子探测器(5-3)探测输出，输出能量为I₃，光束d4由第四单光子探测器(5-4)探测输出，输出能量为I₄；

所述的定标系统中，可调谐激光器(7)发出的光束经空间滤波小孔光阑(8)、起偏器(9)和λ/4波片(10)后成为一偏振状态已知的光束C，光束C输入到测试系统中，可得出单光子探测器的输出信号值I_ij，其中“i”是定标系统产生的光束编号，“j”是在定标过程中单光子探测器的编号。

2.一种基于权利要求1所述装置的单光子偏振量子态测试方法，其特征在于包括以下步骤：

1)被测光束D经测试系统测量后，将系统的第一单光子探测器(5-1)、第二单光子探测器(5-2)、第三单光子探测器(5-3)、第四单光子探测器(5-4)对应的能量输出写为一个矩阵I，

I＝【I₁，I₂，I₃，I₄】^T                        (1)

其中：T表示转置；

2)由定标系统产生四个相互间线形无关的已知偏振态的光束C，每一个偏振态光束对应的斯托克斯矢量表示为S_ik，i为光束编号，i＝1，2，3，4；k为单光子探测器输出编号，k＝1，2，3，4；

3)每一个偏振态光束C输入到测试系统中，对应得出单光子探测器的四个输出信号值I_ij，i为光束编号，i＝1，2，3，4；j为单光子探测器输出编号，j＝1，2，3，4；

4)求测试系统的仪器矩阵A为：

$A=\left[\begin{array}{cccc}{I}_{11}& I_{21}& I_{31}& I_{41}\\ I_{12}& I_{22}& I_{32}& I_{42}\\ I_{13}& I_{23}& I_{33}& I_{43}\\ I_{14}& I_{24}& I_{34}& I_{44}\end{array}\right]{\left[\begin{array}{cccc}{S}_{10}& S_{20}& S_{30}& S_{40}\\ S_{11}& S_{21}& S_{31}& S_{41}\\ S_{12}& S_{22}& S_{32}& S_{42}\\ S_{13}& S_{23}& S_{33}& S_{43}\end{array}\right]}^{-1}---\left(2\right)$

5)求出被测光束D的斯托克斯矢量，

S＝A^-1I                (3)

式中A^-1为A的逆矩阵；

6)求出被测光束D的偏振形态方位角θ和偏振度ε；

$\mathrm{\θ}=\frac{1}{2}\arctan (S_2/S_1)---\left(4\right)$

$\mathrm{\ϵ}=\frac{1}{2}\arcsin \frac{S_3}{{(S_1^2+S_2^2+S_3^2)}^{\frac{1}{2}}}---\left(5\right)$

公式(4)、(5)中“S₂”、“S₁”、“S₃”分别为被测光束D的斯托克斯矢量S中的元素。

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