CN102589704A - 一种自动测量目标对单光子偏振态影响的系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种自动测量目标对单光子偏振态影响的系统及测量方法，它由高重频窄脉冲激光源、衰减片、分光棱镜、透射式目标模块、反射式目标模块、检偏器及旋转电机组件、第一单光子探测器、一维电动平台、第二单光子探测器、单光子计数器、电机控制器和计算机组成，特别适用于自动化测量的场合。该发明基于光学偏振原理，采用双光路补偿、单光子探测等技术，设计合理可行的光机结构，利用计算机自动控制各旋转电机和电动平台，最终实现自动化测量目标对单光子偏振态影响的目的。

Description

一种自动测量目标对单光子偏振态影响的系统及测量方法

技术领域

本发明涉及光学检测技术，特指一种高精度自动测量目标对单光子偏振态影响的系统及测量方法。

背景技术

偏振是光的一种特性，通过对光偏振现象的研究，偏振技术已经广泛地英语于生物、化学、工程等多个学科：利用蔗糖等溶液具有旋光性制成的测量溶液糖度以判断水果等的成熟程度的糖度计；利用具有相互垂直偏振方向的图像光束而形成的立体电影等立体画像；利用玻璃等均质材料上施加外力会产生成比例的双折射现象的光弹性效应的工程检测方法等。

随着人们认识与研究的不断深入，单光子偏振应用开始逐渐为人们所关心。传统的保密方式已被证实在超高速的计算机运算下不再安全，而量子通信由于光子的不可分割、不可复制等量子力学特性而具有绝对保密性，其已被全世界的科学家们追捧。中国、欧洲和美国的科学家们正计划以星地量子通信和光纤量子通信为基础构建全球的保密通信网络。而单光子偏振编码的超远程空间通信也逐渐为世界各国所验证并逐渐推向应用。

在单光子偏振应用及其研究过程中，为获取不同目标对偏振光的影响特性，必须对经过目标作用后的单光子偏振特性进行测量。原有的偏振态检测系统都具有一定的局限性：专利申请号200520040201.0的“一种新型快速椭圆偏振光测量仪”，其在使用中采用组合检偏器和二维CCD探测器来获取材料的光学参数，已经考虑到检测目标对光束偏振态的影响，但是在使用中仍存在一些问题：1、在测量手段上仍采用单路直流的方式，检测的精度不高；2、研究目标对光束偏振态的影响时，只能完成单维的偏振测量，不能测量各向同性均匀材料，不能完全满足应用的需要。为解决以上系统的局限性，我们发展了如专利200910049106.X“一种高精度自动测量目标对传输光束偏振态影响的系统”并获得授权，但是该系统检测的影响仍处于强光水平，不能满足现在及将来应用中的单光子偏振态影响的需求。专利申请号201010565062的“一种实时检测单光子偏振量子态的装置与方法”，其在使用中延迟片等偏振测量元件的标定精度要求很高，测试系统累加的误差将在结果中被放大，最终将对系统的测量结果产生不确定的测量误差影响和精度下降，且根据测试目标的特性需要调节测试结构。

本发明充分考虑实际偏振应用的需求，基于偏振原理，采用双光路补偿、单光子探测等技术，设计合理可行的光机结构，利用计算机自动控制各旋转电机和电动平台，最终实现自动化测量目标对单光子偏振态影响的目的。

发明内容

本发明的目的在于，在现有偏振光检测模式的基础上，结合现今单光子偏振应用的需求，采用单光子探测等新型技术，提出一种自动化测量多维目标对单光子偏振态影响的系统。

整个偏振态检测系统的技术方案为：

检测目标对偏振态影响的系统原理示意图如图1所示，由高重频窄脉冲激光源1、衰减片2、分光棱镜3、透射式目标模块4、反射式目标模块5、检偏器及旋转电机组件6、第一单光子探测器7、一维电动平台8、第二单光子探测器9、单光子计数器10、电机控制器11和计算机12组成。透射式目标模块4由第一起偏器及旋转电机组件4.1、目标13、第一三维电动平台4.2组成；反射式目标模块5由第一反射镜5.1、第二反射镜5.2、第二三维电动平台5.3、第三反射镜5.4、第二起偏器及旋转电机组件5.5、目标13组成。高重频窄脉冲激光源1、第一起偏器及旋转电机组件4.1的旋转电机、第一三维电动平台4.2、第二三维电动平台5.3、第二起偏器及旋转电机组件5.5的旋转电机、检偏器及旋转电机组件6的旋转电机、第一单光子探测器7、一维电动平台8、第二单光子探测器9、单光子计数器10、电机控制器11、计算机12之间以电连接方式传递控制和数据信号。整个系统装置严格密封隔光结构。

单光子光源的设计一直都是单光子应用的一个关键问题。量子点光源等真正的单光子源由于体积、性能、严格的应用条件等限制，并不在工程应用中被广泛采用。本系统设计中采用的源是实际应用中流行的准单光子源，即利用衰减片将高重频窄脉冲激光源出射的每脉冲能量衰减到单光子水平。

在偏振态测量的过程中，采用双光路补偿法。通过分光棱镜将准单光子信号分成两路，一路用于实际的偏振态测量，另一路用于参考值测量；在数据处理时，将实际测量的结果除以参考值，得到相对测量的结果，从而降低准单光子源能量不稳定带来的影响。在检测过程中，软件处理中还可以采用多组测量、放弃最值、计算平均值的数据处理方式，将源能量稳定度的影响降到最低。

暗记数一直都是单光子探测中信噪比的主要影响因素。在系统设计中将高重频窄脉冲激光源的触发信号传输给单光子计数器，作为门脉冲控制暗记数。只有在脉冲门限内的单光子脉冲才是真正的信号，门限外的暗记数都将被放弃。该技术将极大地提高系统的单光子探测性能。

根据偏振应用的需要，在实际检测中希望能够获得目标对单光子偏振影响的多维信息，实际采集的数据比较大。所以对多维的测量系统布局时，同时对计算机自动化控制进行了合理的设计。

根据检测光经过目标材料后光传播方向的不同，系统设计了透射式目标模块4和反射式目标模块5。在透射式目标模块中，待测目标13放置在第一三维电动平台4.2上，第一三维电动平台4.2能够带动目标13实现在水平面上转动，在水平和竖直面内平动，使入射点的变化范围内能照射在目标的待测部分。反射式目标模块中带有三块反射镜，第一反射镜5.1和第二反射镜5.2的反射面与入射光线成45度，使入射的光线在水平方向上发生一段平移；第三反射镜5.4与目标16的反射面保持平行，与起偏器及旋转电机组件5.5呈45度；第三反射镜、起偏器及旋转电机组件和目标安置在第二三维电动平台5.3上，第二三维电动平台5.3能够带动反射镜5.4、第二起偏器及旋转电机组件5.5和目标13在水平面上转动，在水平和竖直面内平动使入射点的变化范围内能覆盖目标的待测部分。这样的设计虽然在使用器件上比平常要多，但是能够保证后光路只需要在水平上发生一维平动，就可以实现光路的对准，实际上光机结构得到了大大的简化。

在系统的光机部分，所有调整结构都采用电机控制器控制的旋转电机和点评平台，从而保证机械调整过程的自动化。

系统由计算机编程控制整个测量过程，从电机控制器获得电机的角度和位移信息，从锁相放大器获得光电检测的实际测量值，并把控制信号传输给电机控制器对电机调整过程进行自动化控制。利用获得的信号，经过编程完成的数据处理，就可以获得消光比和偏振旋转角等应用中关心的偏振信息。本发明具有自动化多维测量的特点，可以给出目标对单光子偏振态影响的多维信息。

附图说明

图1为系统原理示意图。

图2为系统控制与测量算法流程图。

图中标号：1为高重频窄脉冲激光源，2为衰减片，3为分光棱镜，4为透射式目标模块(4.1为第一起偏器及旋转电机组件、13为目标、4.2为第一三维电动平台)，5为反射式目标模块(5.1和5.2为反射面与入射光线成45度的第一反射镜和第二反射镜、5.3为第二三维电动平台、5.4为第三反射镜、5.5为第二起偏器及旋转电机组件、13为目标)，6为检偏器及旋转电机组件，7为第一单光子探测器，8为一维电动平台，9为第二单光子探测器，10为单光子计数器，11为电机控制器，12为计算机。图1中粗线为光路，细线为电路。

具体实施方式

本发明系统示意图如图1所示，由高重频窄脉冲激光源1出射的激光经由衰减片2将每脉冲能量衰减到单光子水平，再经过分光棱镜3分成确定能量比的两路信号：一路直接被第二单光子探测器9探测，再由单光子计数器10计数得到参考值；另一路信号由目标材料的光传播方向特性决定采用透射式目标模块4(先经过第一起偏器及旋转电机组4.1再经过透射目标13)或者反射式目标模块5(先经两块反射面与入射光线成45度的第一反射镜5.1和第二反射镜5.2反射，再在一块与目标表面平行的第三反射镜5.4表面发生反射，经过第二起偏器及旋转电机组件5.5起偏，最后在目标13表面发生反射)，然后经过检偏器及旋转电机组件7检偏后，由第一单光子探测器7探测，再由单光子计数器10计数得到实际测量值。

本发明系统进一步描述如下：

1)主要器件

a)激光器：Hamamastu公司产品，型号为M10306-18；

b)起偏器/检偏器：Thorlabs公司的产品，型号为LPVIS100；

c)分光棱镜：Thorlabs公司产品，型号为BS011；

d)单光子探测器：PerkinElmer公司产品，型号为SPCM-AQRH-16；

e)单光子计数器：ORTEC公司产品，型号为MCS-PCI；

f)旋转电机及平动电机：上海联谊光纤激光器械厂产品，型号为TRB-m-1-1，ALB-m-50-2X，ALB-m-75-2XY或其组合。

2)软件部分

电机控制器11控制第一起偏器及旋转电机组合4.1、第二起偏器及旋转电机组合5.5、检偏器及旋转电机组合6的一维转动电机和第一三维电动平台4.2、第二三维电动平台5.3、一维电动平台8，并获取转动电机和电动平台的角度和位置信息。计算机根据自动化程序设置发给电机控制器控制信号，并从电机控制器和锁相放大器读取信息，根据设定的程序，进行计算，从而获得最终结果。

计算机控制测量算法流程图如图2所示：

1、程序开始运行，初始化第一三维电动平台4.2或第二三维电动平台5.3；

2、移动一维电动平台8，直到光路被对准(起偏检偏同方向情况下，测量光强达到最大)；

3、转动第一起偏器及旋转电机组件4.1或第二起偏器及旋转电机组件5.5到一个初始角度，转动检偏器及旋转电机组件6到一个初始角度，完成10组测量，然后转动检偏器及旋转电机组件6一个小角度(一般精度可设为0.2度)，每次重复10组(每组计数1s)的测量工作，直到检偏器及旋转电机组件6完成半周的旋转；

4、检偏器及旋转电机组件6到测量得最小值的角度，测量50组数据，旋转90度(默认为最大值角度)，完成50组测量，计算机计算并储存结果；

5、旋转第一起偏器及旋转电机组件4.1或第二起偏器及旋转电机组件5.5一个小角度(一般精度可设为1度)，重复3、4步骤，直到旋转第一起偏器及旋转电机组件4.1或第二起偏器及旋转电机组件5.5完成半周的旋转；

6、旋转第一三维电动平台4.2或第二三维电动平台5.3一个小角度(一般精度可设为1度)，重复2、5步骤，直到完成需要测量的入射角范围；

7、平动第一三维电动平台4.2或第二三维电动平台5.3一个小角度一个小平移量(一般精度可设为1cm)，重复6步骤，直到完成目标13待测表面范围的二维平动扫描；

8、完整的测量过程结束。

在目标表面确定入射点、入射角度及入射光偏振方向的情况下，获得起偏片的起偏角度θ；在测量到最小计数值的检偏角度θ_min，获得50组测量计数值，去掉5个最大值5个最小值，计算得到平均值N_min，获得50组参考光路检测的计数值，去掉5个最大值5个最小值，计算得到参考平均值为N_min′；在旋转90度的检偏角度θ_min+90°(默认为检测到最大计数值的角度)，获得50组测量计数值，去掉5个最大值5个最小值，计算得到平均值N_max，获得50组参考光路检测的计数值，去掉5个最大值5个最小值，计算得到参考平均值为N_max′。

最小电压的相对值： ${\mathrm{\η}}_{\min }=\frac{N_{\min }}{{N_{\min }}^{\′}}.$

最大电压的相对值： ${\mathrm{\η}}_{\max }=\frac{N_{\max }}{{N_{\max }}^{\′}}.$

最终测量的偏振消光比： $\mathrm{ER}=\frac{{\mathrm{\η}}_{\max }}{{\mathrm{\η}}_{\min }}.$

偏振主轴方向旋转角： $\mathrm{\Δ\θ}=\mathrm{\θ}-({\mathrm{\θ}}_{\min }+\frac{\mathrm{\π}}{2}).$

经过完整测量过程，最终可以获得目标表面各点对不同入射角度不同偏振光方向的单光子偏振态的影响情况。

Claims (2)

1.一种自动测量目标对单光子偏振态影响的系统，它由高重频窄脉冲激光源(1)、衰减片(2)、分光棱镜(3)、透射式目标模块(4)、反射式目标模块(5)、检偏器及旋转电机组件(6)、第一单光子探测器(7)、一维电动平台(8)、第二单光子探测器(9)、单光子计数器(10)、电机控制器(11)和计算机(12)组成，其特征在于：由高重频窄脉冲激光源(1)出射的激光经由衰减片(2)将每脉冲能量衰减到单光子水平，再经过分光棱镜(3)分成确定能量比的两路光信号：一路直接被第二单光子探测器(9)探测，再由单光子计数器(10)计数得到参考值；另一路光信号由目标材料的光传播方向特性决定采用透射式目标模块(4)，此时光信号先经过第一起偏器及旋转电机组4.1再经过透射目标(13)；或者反射式目标模块(5)，此时光信号先经两块反射面与入射光线成45度的第一反射镜(5.1)和第二反射镜(5.2)反射，再在一块与目标表面平行的第三反射镜(5.4)表面发生反射，经过第二起偏器及旋转电机组件(5.5)起偏，最后在目标(13)表面发生反射；然后经过检偏器及旋转电机组件(7)检偏后，由第一单光子探测器(7)探测，再由单光子计数器(10)计数得到实际测量值。

2.一种基于权利要求1所述系统的目标对单光子偏振态影响的测量方法，其特征在于包括以下步骤：

1)、初始化第一三维电动平台(4.2)或第二三维电动平台(5.3)；

2)、移动一维电动平台(8)，直到光路被对准，起偏检偏同方向情况下，测量光强达到最大；

3)、转动第一起偏器及旋转电机组件(4.1)或第二起偏器及旋转电机组件(5.5)到一个初始角度，转动检偏器及旋转电机组件(6)到一个初始角度，完成10组测量，然后转动检偏器及旋转电机组件(6)一个小角度，进行每次重复10组，每组计数1s的测量工作，直到检偏器及旋转电机组件6完成半周的旋转；

4)、检偏器及旋转电机组件(6)到测量得最小值的角度，测量50组数据，旋转90度，默认为它为最大值角度，完成50组测量，计算机计算并储存结果；

5)、旋转第一起偏器及旋转电机组件(4.1)或第二起偏器及旋转电机组件(5.5)一个小角度，重复3)和4)步骤，直到旋转第一起偏器及旋转电机组件(4.1)或第二起偏器及旋转电机组件(5.5)完成半周的旋转；

6)、旋转第一三维电动平台(4.2)或第二三维电动平台(5.3)一个小角度，重复2)和5)步骤，直到完成需要测量的入射角范围；

7)、平动第一三维电动平台(4.2)或第二三维电动平台(5.3)一个小角度和一个小平移量，重复6)步骤，直到完成目标(13)待测表面范围的二维平动扫描；

8)、在目标表面确定入射点、入射角度及入射光偏振方向的情况下，获得起偏片的起偏角度θ；在测量到最小计数值的检偏角度θ_min，获得50组测量计数值，去掉5个最大值5个最小值，计算得到平均值N_min，获得50组参考光路检测的计数值，去掉5个最大值5个最小值，计算得到参考平均值为N_min′；在旋转90度的检偏角度θ_min+90°(默认为检测到最大计数值的角度)，获得50组测量计数值，去掉5个最大值5个最小值，计算得到平均值N_max，获得50组参考光路检测的计数值，去掉5个最大值5个最小值，计算得到参考平均值为N_max′；

最小电压的相对值： ${\mathrm{\η}}_{\min }=\frac{N_{\min }}{{N_{\min }}^{\′}};$

最大电压的相对值： ${\mathrm{\η}}_{\max }=\frac{N_{\max }}{{N_{\max }}^{\′}};$

最终测量的偏振消光比： $\mathrm{ER}=\frac{{\mathrm{\η}}_{\max }}{{\mathrm{\η}}_{\min }};$

偏振主轴方向旋转角： $\mathrm{\Δ\θ}=\mathrm{\θ}-({\mathrm{\θ}}_{\min }+\frac{\mathrm{\π}}{2});$

经过完整测量过程，最终可以获得目标表面各点对不同入射角度不同偏振光方向的单光子偏振态的影响情况。

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