CN103364794B - 基于关联光学的单次成像及存取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于关联光学的单次成像及存取方法，该方法使用激光作为光源，基于存储介质的散射过程，利用强度关联测量实现成像及存取。该方法需要在光路中设置存储介质，并将待测物体放置在探测光路中，写光将待测物体的位相存入存储介质中，读光再将待测物体的位相从存储介质中读出，结合一阶关联测量，通过对单次写读过程中产生的散射光信号进行时间积分的二阶关联计算，可以获得稳定的位相关联函数，从而实现单次成像及存取。相较于传统成像方法，灵敏度高，而相较于传统的关联光学成像，可以实现单次成像及存取。

Description

基于关联光学的单次成像及存取方法

技术领域

本发明属于非线性光学和量子光学及信息领域，是一种基于光与原子的相互作用，利用关联光学测量实现的单次成像及存取方法。

背景技术

传统的光学成像，包括基于一阶关联测量的干涉成像，是基于光场强度的分布测量。当一束探测光从待成像物体反射或透射时，光的强度会发生改变，根据各个像素点探测到的光场强度可以得到物体的像。此类成像技术已较成熟且普及，但依然存在着两大缺陷：首先对探测光的强度依赖大；其次无法突破瑞丽衍射分辨极限。

由于成像质量对光场强度的依赖较大，使得光场强度的大小或损失会直接影响到成像的质量，所以当到达探测到的光场强度较弱时，会导致成像质量不理想甚至无法成像。例如在夜晚等自然光源太弱时，传统照相机无法成像，此时人们会借助闪光灯来增大探测光的强度，由闪光灯发出的光经物体反射后到达探测器成像。又如当一个物体左部分处于阳光下，而右部分处于阴影中，则传统光学所成的像中，物体左右两边的成像质量会有差别，无法看到通过成像来看到该物体的真实面貌。

与此同时，由于存在瑞丽衍射极限，该极限与光源的波长有关，在不改变光源波长的情况下，传统光学成像的空间分辨率不能突破瑞丽衍射极限，即空间分辨率不能被一味地提高。目前提高瑞丽衍射分辨极限有两种经典方法：改善成像系统的光学性能和采用较短波长的光源。例如X射线探测即利用了X射线的短波长特点，可以提高分辨率，目前在医学观察领域已被广泛应用。

关联光学成像则是基于光场强度的关联测量，是借助光场的位相信息来成像，所以它对光场强度的大小或损失依赖不大。而且当探测光探测到的物体信息在强度分布中被抹去时，可以通过强度关联测量得到物体信息的重现。这使得传统光学测量得不到的图像可以通过关联光学获得，该技术也被称为“鬼”成像技术。该成像技术的经典过程可以大致描述如下：设置两条光路，一条作为参考光，一条作为探测光，将待成像物体放置在探测光路中，直接测量探测光路上的光场强度分布不能得到物体的像，而当将参考光场和探测光场进行二阶强度关联计算时，可以得到物体的像。这一技术要求参考光和探测光之间存在强度关联特性。它可以是光场位相的一个函数，此时强度关联函数也可以称为位相关联函数，体现了两束光场之间位相上的关联。当探测光从待成像物体透射或反射时，光场的位相会发生改变，从而使其与参考光场之间强度关联函数的数值发生改变，则根据各个像素点的强度关联数值，可以得到物体的像。

同时由于关联光学存在着亚波长干涉现象，使得它可以在不改变光源波长的情况下，就可以突破瑞丽衍射分辨极限，从而提高成像的空间分辨率。

目前，基于强度关联的“鬼”成像是非线性光学和量子光学领域的一个重要研究方向，其高灵敏度的特点成像能力在医学军事等领域有着很广泛的应用前景。

但是，现有的关联光学成像也存在着自身的问题：无法单次成像及存取。

由于光场的强度关联被认为是强度涨落的统计相关，所以现有的光场强度关联测量主要是：将两个探测器分别记录的两束光的强度信号，进行关联计算，然后对结果进行多次平均后得到强度的关联分布，这需要多次探测并计算，所以现有的关联光学成像无法实现单次探测成像。在多次探测平均的过程中，不仅耗费大量时间，而且如果物体发生移动，则成像质量将受损。

此外，光信息的存取是量子信息领域的一个研究热点。因为在信息通讯领域，经典通讯借助于电子，由于其可复制性，容易被窃听，保密性差。出于保密通讯的需要，人们根据量子不可克隆的原理，开始借助于量子通讯手段。在量子通讯领域中，光子是一种理想的信息载体。但是由于光子在传播中的损失，会导致信噪比降低，这就需要在光子的传播路径中设置量子中继器，通过光信息的存取来提纯信号，从而保持信噪比。所以具备信息存储能力的介质，是量子中继器的一种理想选择。利用光与存储介质的相互作用可以实现光信息在存储介质中的存取。但在传统“鬼”成像过程中，除了在探测光路上放置待成像物体外，探测光路和参考光路上均无其他存储介质。探测光与参考光由探测器采集后，通过强度关联计算，得到物体的像。这是光信号转换为电信号的过程，图像信息通过电信号进行存储，存储之后的电信号无法再还原成光信号。所以它无法实现信息从光到光的存取。

综上所述，基于关联光学的成像可以克服传统成像中存在的两大问题：1、对探测光的强度依赖大。2、无法突破瑞丽衍射分辨极限。同时也存在着自身的问题：1、无法单次成像。2、无法存取。

利用光在存储介质中的拉曼散射过程可以实现光信息在原子中的存取。与此同时，基于拉曼散射的信息存取过程中，信号光场之间可以建立起位相关联，并由此得到强度关联函数，从而可以进行成像。这一过程中，写光将图像的位相信息存储在存储介质中，然后读光将位相信息从存储介质中读出。这就为实现成像的存取提供了可能性。

此外，传统“鬼”成像无法单次成像，而需要大量的探测进行统计取平均，这是由于“鬼”成像所依赖的强度关联函数是强度涨落的统计相关，所以该函数的获得需要在成像的过程中，随着光场强度的变化，进行多次测量来记录各种大小的光强，对所有光强数值进行统计处理。如果可以在一次测量中，就记录光场强度的各种变化或大小，就有可能实现基于强度关联的单次成像。而一阶关联测量是基于两束光之间的干涉，干涉会导致探测信号出现周期性变化，称之为拍频。它使光场在一个拍频信号周期内，经历各种强度大小（光场强度信号从最小到最大）。对其进行时间积分，即可能通过单次测量的时间积分信号获得成像。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于关联光学的单次成像及存取方法，该方法利用存储介质的相干自旋波，获得了散射读写过程中信号光场之间的强度关联成像及存取；与此同时，结合一阶关联测量，实现了单次成像及存取。其可克服传统光学成像中的低灵敏度以及传统“鬼”成像需要多次统计平均及无法存取的缺点。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种基于关联光学的单次成像及存取方法，它包括以下具体步骤：

第一步：设置存储介质，并将其制备到基态；

第二步：将位相差稳定的两束激光，一个作为参考光，一个作为探测光；将待成像物体放置在探测光路上，将参考光和探测光注入存储介质中，发生基于自发散射，产生信号光，同时存储介质内态之间产生位相相干性（也称为相干自旋波）；这两束激光标记为写光，彼此空间分开，形成两条光路，分别作为参考光路和探测光路；每一路写光的散射过程会同时产生第一散射光场和存储介质的第一相干自旋波，第一相干自旋波记录了写光携带的待测物体的位相信息，即将待测物体的位相信息存入存储介质；然后将两路写光产生的两个散射信号光进行空间一阶干涉，干涉信号需大于一个干涉周期，用探测器探测，记录下第一干涉信号；

第三步：将另外两束位相差稳定的激光，注入存储介质中，这两束激光记为读光，与上步骤的两束写光反方向传播并分别空间重合；两路读光与存储介质发生增强散射，每一路读光都会产生第二散射光场，基于增强散射的物理原理，第二散射光场携带出存储介质的第一相干自旋波的位相信息，这一过程即是位相的读出过程；将读光产生的两个散射信号光进行空间一阶干涉，干涉信号需大于一个干涉周期，用探测器探测，记录下第二干涉信号；

第四步：将第一干涉信号和第二干涉信号进行二阶强度关联计算，得到位相关联函数，计算出探测光路上待测物体的位相，根据物体的位相信息进行成像及读取。

所述存储介质为原子、离子、分子或者量子点。

所述散射过程为拉曼散射或者瑞丽散射。

本发明中，由于写光和读光均是两束位相差稳定的激光，则基于一阶关联测量的原理，对写光和读光各自产生的两路散射信号光均进行空间一阶干涉，可以消除光源本身随机位相的干扰。

由于读光发生的散射，是以写光制备的存储介质相干性作为种子受激产生，所以读光产生的散射信号光与写光产生的散射信号光之间存在着瞬时的位相关联。由于写光发生的是自发散射，所以存在着随机的自发位相，从而导致写光与读光产生的散射信号光之间只满足瞬时的位相关联，而无法得到不同时刻的稳定的位相关联函数；通过两个探测器信号间的强度关联计算，可以消除随机自发位相的影响，获得稳定的位相关联函数，从而可以进行成像及存取。

与此同时，由于结合了一阶关联测量，干涉产生的干涉信号大于一个周期时，只需对单次测量的信号进行时间积分就可以完成位相关联函数的获取；实现单次成像及存取。

本发明是基于关联光学测量，相较于传统成像方法，灵敏度高，而且相较于传统的关联光学成像，可以实现单次成像及存取。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为本发明实施例存储介质⁸⁷Rb原子“∧”结构及拉曼散射过程示意图；

图3为本发明实施例光路示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明详细描述。

实施例

参阅图1，图1是⁸⁷Rb原子“∧”结构及拉曼散射过程；其中，5S_1/2、5P_1/2、5P_3/2为⁸⁷Rb原子的精细结构，F=1、F=2为精细结构5S_1/2的超精细分裂，其能级差为6.8GHz；虚线所示为⁸⁷Rb原子的虚能级。

本发明的具体实施过程如下：

图2是实施例的光路示意图；图中：1-半导体激光器（入射拉曼写光）；2-半导体激光器（光泵光）；3-半导体激光器（入射拉曼读光）；4、5-探测器；6-计算机（二阶关联计算）；7-⁸⁷Rb原子池；8-磁屏蔽装置；9-压电陶瓷（待成像物）；10、11、12、13、14-分束器；15、16-极化分束器；17、18、19、20、21、22-反射镜；23、24、25、26-半波片；27、28-衰减片；29、30、31-声光调制器。

本实施例存储介质是纯的⁸⁷Rb原子系综，⁸⁷Rb原子被装在一个75毫米玻璃池7中；这个原子池7放在磁屏蔽8里，减少外界杂散的磁场，并且加热到80℃。

半导体激光器2作为泵浦光源，其出射光经过分束器11后一分为二，注入原子池7中，将原子制备到基态，以便于在写光入射时发生拉曼散射。光泵光源的波长为780nm，功率为80mW，光斑大小为1mm。声光调制器30为泵浦光源的开关。

半导体激光器1作为写光光源，其出射光经过分束器10后一分为二，经过极化分束器15反射后，以垂直偏振的模式平行注入到原子池7中。两束写光与两束泵浦光分别在原子池中心小角度（1～2度角）交叉，使写光与泵浦光制备的基态原子发生自发的受激拉曼散射过程，产生斯托克斯信号和原子相干自旋波。两路斯托克斯信号出原子池7后经过极化分束器16。基于拉曼散射原理，入射的写光与产生的斯托克斯光是彼此正交的，所以极化分束器16可以在空间上将写光与斯托克斯光分开。所以两路斯托克斯光经过极化分束器16（消光比1000:1）后以水平偏振的模式出射，将滤除未与原子发生拉曼过程的剩余写光。两路斯托克斯信号经过分束器14后合束进行空间一阶干涉，衰减片28调节光强大小。干涉信号入射到光电探测器5。两条写光光路可以分别作为参考光和探测光，在探测光路上放置一个压电陶瓷9，调节探测光的光场位相，探测光将该调制位相写入原子，存储在原子相干自旋波中。写光光源的波长为795nm，功率为几十uw到几个mw之间，根据需要进行调节，光斑大小为0.25mm。声光调制器29为写光的开关。

半导体激光器3作为读光光源，其出射光经过分束器12后一分为二，经过极化分束器16反射后，以垂直偏振的模式平行注入到原子池7中。两束读光与两束写光传播并分别重合，使写光制备的原子相干自旋波可以为读光作为种子发生受激拉曼散射过程，产生的斯托克斯信号可以将写光存储在原子相干自旋波中的位相信息携带出。该过程中产生的两路斯托克斯光从原子池7出射后经过极化分束器15；同样基于拉曼散射原理，入射的读光与斯托克斯光是彼此正交的，所以极化分束器15在空间上将读光与斯托克斯光分开。所以两路斯托克斯光经过极化分束器15后以水平偏振的模式出射，将滤除未与原子发生拉曼过程的剩余读光。两路斯托克斯信号经过分束器13后合束进行空间一阶干涉，衰减片27调节光强大小。干涉信号最后入射到光电探测器4。读光光源的波长为795nm，功率为几十uw到几个mw之间，根据需要进行调节，光斑大小为0.3mm。声光调制器31为读光的开关。

整个过程中，先在原子池7中注入泵浦光脉冲（占空比80%），将原子制备到基态。然后关断泵浦光，同时注入两束写光，脉冲长度相同（占空比2%）。为压电陶瓷9提供三角波电压扫描。调节两路写光的功率大小，使它们产生的两个斯托克斯信号发生拍频现象，且在脉冲长度内，拍频信号需大于1个周期，并由光电探测器5进行信号采集。写光关断后，同时注入两束读光，脉冲长度相同（占空比2%）。调节两路读光的功率大小，使它们满足两个条件：1，不产生自发拉曼过程，而是基于写光制备的原子相干自旋波发生受激拉曼过程；2，产生的两个受激斯托克斯信号发生拍频现象，且在脉冲长度内，拍频信号需大于一个周期。由光电探测器4对读光产生斯托克斯拍频信号进行采集。由于压电陶瓷9的作用，探测光路的写光位相被调制，位相随时间发生均匀变化。将两个探测器的探测信号送入计算机6进行二阶强度关联计算后，可以发现，在不同时刻，即不同的写光调制位相强度关联的计算数值随之不同，满足正弦函数的关系，可视度接近理论预言的50%。至此，可以通过这种方法获得稳定的强度关联函数根据不同的数值计算出不同的位相进而得到探测光路上的调制位相信息。因为两个探测器采集的都是大于一个周期的拍频信号，所以可以在一次测量中，就记录了光场强度的各种变化或大小，不需要多次测量取平均，而只需对单次测量信号进行时间积分就可以完成位相关联函数的提取。

本实施例中，由于自发拉曼过程存在着随机自发位相（噪声）的影响，对探测光路上写光调制的位相不能单凭通过观测写光产生的斯托克斯信号来获得。但是通过写光与读光产生的斯托克斯信号之间的强度关联计算可以获得探测光路上写光调制的位相

探测光路上的压电陶瓷9是用来对写光进行位相调制，将其换成待成像物体时，即由待成像物体对写光进行位相调制。与此同时将光电探测器4、5改换成探测器阵列，如CCD，则根据不同像素点的强度关联数值，即可以推算出物体不同部位的位相，从而可成完整的像。

先注入写光后注入读光或同时注入写光和读光，均可以获得稳定的强度关联函数用于成像。其中先注入写光后注入读光的过程，在信息存取的角度而言，也可以视为写光将图像的位相信息存入了原子相干自旋波中，然后通过读光的受激拉曼过程，将原子中被存入的图像位相信息重新读取出来。这就实现了基于关联光学的成像及存取。

本实施例中，以下条件是可变的：

⑴、存储介质可以是原子，离子、分子或者量子点等，只要具备存储能力即可。

⑵、两束泵浦光可以是同源激光，也可以是不同源激光。

⑶、两对光路可以在同一存储介质中平行设置，也可以各自经过两个存储介质。

⑷、空间一阶干涉时出现的拍频信号可以不是通过改变注入光的光强得到，也可以通过调节注入光之间的频率差得到。如添加一个声光调制器对探测光和参考光中的一路进行频移，另一路不变，从而使探测光和参考光之间存在频率差。

⑸、分束器10-14进行光束的分束或合束，可以用半波片和极化分束器替代。

⑹、两束写光可以是同源激光，也可以是彼此位相锁定的不同源激光。

⑺、两束读光可以是同源激光，也可以是彼此位相锁定的不同源激光。

Claims (3)

1.一种基于关联光学的单次成像及存取方法，其特征在于该方法包括以下具体步骤：

第一步：设置存储介质，并将其制备到基态；

第二步：将位相差稳定的两束激光，一个作为参考光，一个作为探测光；将待成像物体放置在探测光路上，将参考光和探测光注入存储介质中，发射出基于自发散射产生的信号光，同时存储介质内态之间产生位相相干性；这两束激光标记为写光，彼此空间分开，形成两条光路，分别作为参考光路和探测光路；每一路写光的散射过程会同时产生第一散射光场和存储介质的第一相干自旋波，第一相干自旋波记录了写光携带的待测物体的位相信息，即将待测物体的位相信息存入存储介质；然后将两路写光产生的两个散射信号光进行空间一阶干涉，干涉信号需大于一个干涉周期，用探测器探测，记录下第一干涉信号；

第三步：将另外两束位相差稳定的激光，注入存储介质中，这两束激光记为读光，与上步骤的两束写光反方向传播并分别空间重合；两路读光与存储介质发生增强散射，每一路读光都会产生第二散射光场，基于增强散射的物理原理，第二散射光场携带出存储介质的第一相干自旋波的位相信息，这一过程即是位相的读出过程；将读光产生的两个散射信号光进行空间一阶干涉，干涉信号需大于一个干涉周期，用探测器探测，记录下第二干涉信号；

第四步：将第一干涉信号和第二干涉信号进行二阶强度关联计算，得到位相关联函数，计算出探测光路上待测物体的位相，根据物体的位相信息进行成像及读取。

2.根据权利要求1所述的单次成像及存取方法，其特征在于所述存储介质为原子、离子、分子或者量子点。

3.根据权利要求1所述的单次成像及存取方法，其特征在于所述散射过程是拉曼散射。