CN106289050A - 一种基于奇偶探测策略的超分辨量子干涉测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于奇偶探测策略的超分辨量子干涉测量系统及方法，本发明涉及基于奇偶探测策略的超分辨量子干涉测量系统及方法。本发明为了解决现有干涉仪分辨率低的缺点。系统包括同步信号器(1)、脉冲激光器(2)、奇偶探测器(9)、干涉仪(10)；所述奇偶探测器(9)包括光子数分辨计数器(7)和控制及信号处理系统(8)；同步信号器(1)产生两束同步信号，一束同步信号传输到脉冲激光器(2)产生脉冲激光，经干涉仪产生两束脉冲激光，选择其中任意一束传输至光子数分辨计数器(7)，对脉冲激光进行探测；将探测结果传输至控制及信号处理系统(8)进行数据处理及显示。本发明用于量子探测领域。
Description
技术领域
本发明涉及基于奇偶探测策略的超分辨量子干涉测量系统及方法。
背景技术
干涉仪是现代光学测量技术中最基础也最常用的系统。当两束相干电磁波发生干涉，例如杨氏双缝干涉实验或是标准的马赫曾德尔(MZ)干涉仪中发生的情况，在接收屏上能看到一个强度随干涉仪两臂光程差变化而变化的干涉条纹图样，该图样的变化周期由电磁场的波长λ决定。通常我们将引起干涉光强变化二分之一周期的光程差(相位差)变化称为干涉仪的标准分辨率极限，即λ/2π。从相位探测的角度来看，该分辨率是固定的，无法通过换用短波长电磁波进行干涉来提高，对于需要更高相位探测分辨率的场合，经典干涉仪就无法再满足要求。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有干涉仪分辨率低的缺点，而提出一种一种基于奇偶探测策略的超分辨量子干涉测量系统及方法。
一种基于奇偶探测策略的超分辨量子干涉测量系统，其特征在于它包括：同步信号器(1)、脉冲激光器(2)、奇偶探测器(9)、干涉仪(10)；
所述奇偶探测器(9)包括光子数分辨计数器(7)和控制及信号处理系统(8)；
同步信号器(1)产生两束同步信号，一束同步信号传输到脉冲激光器(2)，驱动脉冲激光器(2)产生脉冲激光，脉冲激光经干涉仪产生两束脉冲激光，选择其中任意一束脉冲激光传输至光子数分辨计数器(7)，光子数分辨计数器(7)对脉冲激光进行探测；将探测结果传输至控制及信号处理系统(8)进行数据处理及显示；
另一束同步信号传输到控制及信号处理系统(8)，控制及信号处理系统(8)控制光子数分辨计数器(7)的快门开门准备接收经干涉仪(10)的出射端口发出的脉冲激光。
一种基于奇偶探测策略的超分辨量子干涉测量方法具体是按照以下步骤进行的；
步骤一、脉冲激光器(2)产生波函数为|α〉的单模相干态脉冲激光入射到干涉仪(10)一入射端口，干涉仪另一入射端口以真空态|0>入射；则干涉仪的入射光场波函数为|ψin>＝|α〉|0>；
步骤二、干涉仪两干涉臂相位差为则干涉仪入射光场经干涉仪干涉后获得干涉仪的出射光场波函数为
步骤三、光子数分辨计数器(7)对步骤二中获得的干涉仪的出射光场波函数进行探测，探测每次脉冲激光传输至光子数分辨计数器(7)的光子数个数，即可获得奇偶探测算符的平均值为
本发明的有益效果为：
奇偶探测器(9)包括光子数分辨计数器(7)和控制及信号处理系统(8)；一方面可以控制位于干涉仪出射端口的光子数分辨计数器(6)的快门开门准备接收干涉仪出射的光脉冲，另一方面也能接收计数器的探测结果进行数据处理及显示。激光脉冲经非偏振分光棱镜1(3)分束后在干涉仪两臂中传输而携带了干涉仪两臂的光程信息，于非偏振分光棱镜2(4)处发生干涉后两臂的光程差(相位差)信息将反应在干涉仪两出射端口的光子数分布上。选取任意一个出射端口经奇偶探测模块进行量子奇偶探测即可获得与干涉仪两臂相位差相关的干涉条纹，该条纹相较经典干涉仪具有更高的条纹锐度且条纹锐度随着干涉光强的提高而增高，这使得本系统具有更高的相位探测灵敏度。
本发明公开了一种基于奇偶探测策略的超分辨量子干涉测量系统。干涉仪的干涉条纹宽度决定了其探测分辨率，经典激光干涉仪的标准分辨率极限为λ/2，换算为相位即π。通过提高干涉条纹的锐度可以有效的提高干涉仪的探测分辨率。本发明利用光场的粒子性，在干涉仪的出射端口采用光子数分辨探测器进行量子奇偶探测，所获得的干涉条纹峰宽为经典探测仪的N为入射光场的平均光子数。因此该系统具有高于干涉仪标准分辨率极限的超分辨探测性能，且分辨率随着干涉光强的增强而变高。
如图4所示，本发明奇偶探测策略下干涉条纹在附加相位为-3时，奇偶探测算符的平均值为0，现有强度差探测的归一化干涉条纹在附加相位为-3时，奇偶探测算符的平均值为-1；本发明奇偶探测策略下干涉条纹在附加相位为-1时，奇偶探测算符的平均值为0，现有强度差探测的归一化干涉条纹在附加相位为-1时，奇偶探测算符的平均值为0.6；本发明奇偶探测策略下干涉条纹在附加相位为0时，奇偶探测算符的平均值为1，现有强度差探测的归一化干涉条纹在附加相位为0时，奇偶探测算符的平均值为1；本发明奇偶探测策略下干涉条纹在附加相位为1时，奇偶探测算符的平均值为0，现有强度差探测的归一化干涉条纹在附加相位为1时，奇偶探测算符的平均值为0.6；本发明奇偶探测策略下干涉条纹在附加相位为3时，奇偶探测算符的平均值为0，现有强度差探测的归一化干涉条纹在附加相位为3时，奇偶探测算符的平均值为-1；
可看出本发明提出的奇偶探测方法的信号峰比传统强度差探测的信号峰窄得多，按照经典的半峰宽的分辨率定义，本专利奇偶探测方法的分辨率可以得到极大的提高，从而实现超分辨的性能优势。
附图说明
图1为基于奇偶探测策略的超分辨量子干涉测量系统A框图；
图2为基于奇偶探测策略的超分辨量子干涉测量系统B框图；
图3为干涉仪光路示意图，A、B为干涉仪入射端口，C、D为干涉仪出射端口；
图4为奇偶探测策略下干涉条纹与归一化强度差干涉条纹的对比图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，一种基于奇偶探测策略的超分辨量子干涉测量系统，其特征在于它包括：同步信号器(1)、脉冲激光器(2)、奇偶探测器(9)、干涉仪(10)；
所述奇偶探测器(9)包括光子数分辨计数器(7)和控制及信号处理系统(8)；
同步信号器(1)产生两束同步信号，一束同步信号传输到脉冲激光器(2)，驱动脉冲激光器(2)产生脉冲激光，脉冲激光经干涉仪(10)产生两束脉冲激光，选择其中任意一束脉冲激光传输至光子数分辨计数器(7)，光子数分辨计数器(7)对脉冲激光进行探测；将探测结果传输至控制及信号处理系统(8)进行数据处理及显示；
另一束同步信号传输到控制及信号处理系统(8)，控制及信号处理系统(8)控制光子数分辨计数器(7)的快门开门准备接收经干涉仪(10)的出射端口发出的脉冲激光。
这里的意思是只有光源发射对探测有用的脉冲激光后，探测器的快门才开门准备探测，否则快门关闭，避免接收杂光。
具体实施方式二：结合图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述干涉仪(10)包括第一非偏振分光棱镜(3)、第一全反射镜(4)、第二全反射镜(5)和第二非偏振分光棱镜(6)；
同步信号器(1)产生两束同步信号，一束同步信号传输到脉冲激光器(2)，驱动脉冲激光器(2)产生脉冲激光，脉冲激光经过第一非偏振分光棱镜(3)分成两束，一束经过第一全反射镜(4)反射到达第二非偏振分光棱镜(6)，另一束经过第二全反射镜(5)反射到达第二非偏振分光棱镜(6)，两束到达第二非偏振分光棱镜(6)的激光脉冲进行干涉，经第二非偏振分光棱镜(6)分成两束激光脉冲；选择其中任意一束脉冲激光传输至光子数分辨计数器(7)，光子数分辨计数器(7)对脉冲激光进行探测；将探测结果传输至控制及信号处理系统(8)进行数据处理及显示。
原理：同步信号器(1)产生同步信号分成两束，一束同步信号传输到脉冲激光器(2)，驱动脉冲激光器(2)产生激光脉冲，激光脉冲经干涉仪产生两束激光脉冲，其中一束激光脉冲传输至光子数分辨计数器(7)，将光子数分辨计数器的探测结果传输至控制及信号处理系统(8)进行数据处理及显示；
另一束同步信号传输到控制及信号处理系统(8)，控制及信号处理系统(8)控制光子数分辨计数器(7)的快门开门准备接收经第二非偏振分光棱镜(6)后的激光脉冲。
其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述干涉仪为马赫曾德尔干涉仪(MZI)。
其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：结合图3说明本实施方式，一种基于奇偶探测策略的超分辨量子干涉测量方法，其特征在于：一种基于奇偶探测策略的超分辨量子干涉测量方法具体是按照以下步骤进行的；
步骤一、脉冲激光器(2)产生波函数为|α>的单模相干态脉冲激光入射到干涉仪(10)一入射端口，干涉仪另一入射端口以真空态|0>入射；则干涉仪的入射光场波函数为|ψin>＝|α>|0>；
步骤二、干涉仪两干涉臂相位差为则干涉仪入射光场经干涉仪干涉后获得干涉仪的出射光场波函数为
步骤三、光子数分辨计数器(7)对步骤二中获得的干涉仪的出射光场波函数进行探测，探测每次脉冲激光传输至光子数分辨计数器(7)的光子数个数，即可获得奇偶探测算符的平均值为
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：所述步骤二中干涉仪两干涉臂相位差为则干涉仪入射光场经干涉仪干涉后获得干涉仪的出射光场波函数；具体过程为：
入射光场波函数经第一非偏振分光棱镜(3)作用后波函数由|ψin>＝|α>|0>变为：
其中，i为虚数单位，|ψ'>为入射光场波函数经第一非偏振分光棱镜(3)作用后的波函数；
由于干涉仪两干涉臂相位差为则式(3)所示波函数的光场在干涉仪中传播后，到达第二非偏振分光棱镜(6)之前的波函数变为：
式中，|ψ”>为入射光场波函数到达第二非偏振分光棱镜(6)之前的波函数；
式(3)所示波函数的光场在第二非偏振分光棱镜(6)处发生干涉从而获得干涉仪出射光场波函数为：
式中，e为自然底数，i为复数单位。
其它步骤及参数与具体实施方式五相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是：所述步骤三中光子数分辨计数器(7)对步骤二中获得的干涉仪的出射光场波函数进行探测，探测每次脉冲激光传输至光子数分辨计数器(7)的光子数个数，即可获得奇偶探测算符的平均值；具体过称为：干涉仪出射端口C、D分别探测到n及m个光子数的概率为
其中，为出射光场密度矩阵；
干涉仪出射端口C、D分别探测到n及m个光子数的概率的具体表达式如下：
exp()为函数，|a|为α的模；
对每次脉冲激光传输到干涉仪出射端口C时出射的光子数个数n求奇偶探测算符的平均值该值的大小随干涉仪两臂的相位差所表现出的周期性变化即干涉条纹，其峰宽为经典探测仪的N为入射光场的平均光子数；
奇偶探测算符的具体公式为：
当干涉仪的出射端口C出射的光子数个数n为奇数时，取-1；
当干涉仪的出射端口C出射的光子数个数n为偶数时，取+1；
则的取值概率P(±)由n取奇数或偶数时的概率P(n,m)求和得到，则根据(6)式，有
式中，even or odd n为n为奇数或偶数；
式(3)为所有n为奇数的项求和或所有n为偶数的项求和；所有n为奇数的情况式(7)中P(±)取P(-)，所有n为偶数的情况式(7)中P(±)取P(+)；
则P(+)+P(-)＝1，且
|α|2取100时随的变换情况如图4所示，在同一图中我们还画出了经典的归一化强度差探测曲线以作比较。可以看到干涉条纹相比经典干涉仪的光强干涉条纹具有明显的亚瑞利衍射极限窄峰型超分辨率特征。这些特征对于小回波光子数的激光雷达测距和激光多普勒测速系统是非常有用的。人们可以在激光测距和测速系统中锁定这种特征，然后利用干涉仪中的实时负反馈系统观察这一特征如何随时间变化，从而确定目标的移动速度等被探测信息。
各次脉冲到来时探测到的光子数都将被传输到控制及信号处理系统(7)进行奇偶光子数统计处理以获取高锐度的干涉条纹。
为了定量的说明干涉条纹的中心窄峰的性质，我们引入小角度附加相位近似将(8)式写为
由于时，则(8)式可近似为：
这是一个典型的高斯型分布，半高宽度为考虑到|α|2即相干态的平均光子数。则当入射光场平均光子数取100时，则峰宽为经典干涉仪光强干涉条纹的1/10，具有10重超分辨特征。
其它步骤及参数与具体实施方式四或五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式四至六之一不同的是：所述脉冲激光器(2)以1MHz的频率输出宽度为100ns的脉冲激光。
所述脉冲激光器(2)为长春新产业光电技术有限公司的型号为MSL-III-532-AOM的产品。
所述光子数分辨计数器(7)为美国LASER COMPONENTS的COUNT-100C-FC Gm-APD探测器模块，控制及信号处理系统(8)为装配了德国Becker&Hickl GmbH公司制造的16通道时间相关单光子计数卡DPC-230的计算机。
其它步骤及参数与具体实施方式四至六之一相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
如图2所示，本实施例一种基于奇偶探测策略的超分辨量子干涉测量系统及方法具体是按照以下步骤制备的：
任意选择一个干涉仪的出射端口利用光子数分辨探测器探测获取每次脉冲到来时从该端口出射的光子数个数。根据这些数据求得奇偶算符的平均值，该平均值的大小随干涉仪两臂的相位差所表现出的周期性变化即干涉条纹，其峰宽为经典干涉仪的N为光场的平均光子数。在相位分辨率最高可达经典干涉仪的倍
如图2所示的干涉仪示意图，激光器产生的单模相干态光场波函数为|a>，干涉仪入射端口B空置为真空态|0>，则干涉仪入射光场为|ψin>＝|α>|0>，在干涉仪顺时针光路引入一个附加相位则干涉仪的出射光场波函数为
干涉仪出射端口C、D分别探测到n及m个光子数的概率为其中，为出射光场密度矩阵；
干涉仪出射端口C、D分别探测到n及m个光子数的概率的具体表达式如下：
式中，exp()为函数，|a|为α的模。
奇偶探测策略即任选一个干涉仪出射端口探测每次脉冲到来时所包含的光子数并求取奇偶探测算符的平均值在这里我们选取出射端口C以作说明。不难发现，当从C端口出射的光子数为奇数时取-1，当从C端口出射的光子数为偶数时取+1。则的取值概率P(±)可由n取奇数或偶数时的概率P(n,m)求和而得，则根据(2)式，有
则P(+)+P(-)＝1，且
|α|2取100时随的变换情况如图4所示，在同一图中我们还画出了经典的归一化强度差探测曲线以作比较。可以看到干涉条纹相比经典干涉仪的光强干涉条纹具有明显的压瑞利衍射极限窄峰型超分辨率特征。这些特征对于小回波光子数的激光雷达测距和激光多普勒测速系统是非常有用的。人们可以在激光测距和测速系统中锁定这种特征，然后利用干涉仪中的实时负反馈系统观察这一特征如何随时间变化，从而确定目标的移动速度等被探测信息。
为了定量的说明干涉条纹的中心窄峰的性质，我们引入小角度近似将(4)式写为
这是一个典型的高斯型分布，半高宽度为考虑到|α|2及相干态的平均光子数，令为N。则当入射光场平均光子数取100时，则峰宽为经典干涉仪光强干涉条纹的1/10，具有10重超分辨特征。
实施例二：
如图4所示，本发明采用的是光子数分辨探测器，这种探测器可以分辨具有不同光子数的入射态，其探测效率可以达到0.95，每秒钟暗计数约400次。因为与APD同位光子量级的探测器，在具有很大的增益效果的同时，也需要在每次探测响应后有一定时间来抑制饱和电流并重置探测器状态以准备下一次探测，即死时间。现有光子数分辨探测器的死时间约为1us。为了适应探测器的这一特性，我们使激光器以1MHz的频率输出宽度为100ns的激光脉冲，则通过同步信号及控制系统的控制使得脉冲到达探测器时探测器都能正常进行探测。
按照整个系统框图1的过程进行探测，我们得到了本专利提出的奇偶探测的结果和传统强度差探测方法的结果，如图4所示。可以看出本专利提出的奇偶探测方法的信号峰比传统强度差探测的信号峰窄得多，按照经典的半峰宽的分辨率定义，本专利奇偶探测方法的分辨率可以得到极大的提高，从而实现超分辨的性能优势。
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于奇偶探测策略的超分辨量子干涉测量系统，其特征在于它包括：同步信号器(1)、脉冲激光器(2)、奇偶探测器(9)、干涉仪(10)；
所述奇偶探测器(9)包括光子数分辨计数器(7)和控制及信号处理系统(8)；
同步信号器(1)产生两束同步信号，一束同步信号传输到脉冲激光器(2)，驱动脉冲激光器(2)产生脉冲激光，脉冲激光经干涉仪(10)产生两束脉冲激光，选择其中任意一束脉冲激光传输至光子数分辨计数器(7)，光子数分辨计数器(7)对脉冲激光进行探测；将探测结果传输至控制及信号处理系统(8)进行数据处理及显示；
另一束同步信号传输到控制及信号处理系统(8)，控制及信号处理系统(8)控制光子数分辨计数器(7)的快门开门准备接收经干涉仪(10)发出的脉冲激光。
2.根据权利要求1所述一种基于奇偶探测策略的超分辨量子干涉测量系统，其特征在于：所述干涉仪(10)包括第一非偏振分光棱镜(3)、第一全反射镜(4)、第二全反射镜(5)和第二非偏振分光棱镜(6)；
同步信号器(1)产生两束同步信号，一束同步信号传输到脉冲激光器(2)，驱动脉冲激光器(2)产生脉冲激光，脉冲激光经过第一非偏振分光棱镜(3)分成两束，一束经过第一全反射镜(4)反射到达第二非偏振分光棱镜(6)，另一束经过第二全反射镜(5)反射到达第二非偏振分光棱镜(6)，两束到达第二非偏振分光棱镜(6)的激光脉冲进行干涉，经第二非偏振分光棱镜(6)分成两束激光脉冲；选择其中任意一束脉冲激光传输至光子数分辨计数器(7)，光子数分辨计数器(7)对脉冲激光进行探测；将探测结果传输至控制及信号处理系统(8)进行数据处理及显示。
3.根据权利要求2所述一种基于奇偶探测策略的超分辨量子干涉测量系统，其特征在于：所述干涉仪为马赫曾德尔干涉仪。
4.一种基于权利要求1所述的基于奇偶探测策略的超分辨量子干涉测量方法，其特征在于：一种基于奇偶探测策略的超分辨量子干涉测量方法具体是按照以下步骤进行的；
步骤一、脉冲激光器(2)产生波函数为|α>的单模相干态脉冲激光入射到干涉仪(10)一入射端口，干涉仪另一入射端口以真空态|0>入射；则干涉仪的入射光场波函数为|ψin>＝|α>|0>；
步骤二、干涉仪两干涉臂相位差为则干涉仪入射光场经干涉仪干涉后获得干涉仪的出射光场波函数为
步骤三、光子数分辨计数器(7)对步骤二中获得的干涉仪的出射光场波函数进行探测，探测每次脉冲激光传输至光子数分辨计数器(7)的光子数个数，即可获得奇偶探测算符的平均值为
5.根据权利要求4所述一种基于奇偶探测策略的超分辨量子干涉测量方法，其特征在于：所述步骤二中干涉仪两干涉臂相位差为则干涉仪入射光场经干涉仪干涉后获得干涉仪的出射光场波函数；具体过程为：
入射光场波函数经第一非偏振分光棱镜(3)作用后波函数由|ψin>＝|α>|0>变为：
其中，i为虚数单位，|ψ'>为入射光场波函数经第一非偏振分光棱镜(3)作用后的波函数；
由于干涉仪两干涉臂相位差为则式(3)所示波函数的光场在干涉仪中传播后，到达第二非偏振分光棱镜(6)之前的波函数变为：
式中，|ψ”>为入射光场波函数到达第二非偏振分光棱镜(6)之前的波函数；
式(3)所示波函数的光场在第二非偏振分光棱镜(6)处发生干涉从而获得干涉仪出射光场波函数为：
6.根据权利要求5所述一种基于奇偶探测策略的超分辨量子干涉测量方法，其特征在于：所述步骤三中光子数分辨计数器(7)对步骤二中获得的干涉仪的出射光场波函数进行探测，探测每次脉冲激光传输至光子数分辨计数器(7)的光子数个数，即可获得奇偶探测算符的平均值具体过称为：
干涉仪出射端口C、D分别探测到n及m个光子数的概率为其中，为出射光场密度矩阵；
干涉仪出射端口C、D分别探测到n及m个光子数的概率的具体表达式如下：
对每次脉冲激光传输到干涉仪出射端口C时出射的光子数个数n求奇偶探测算符的平均值
奇偶探测算符的具体公式为：
当干涉仪的出射端口C出射的光子数个数n为奇数时，取-1；
当干涉仪的出射端口C出射的光子数个数n为偶数时，取+1；
则的取值概率P(±)由n取奇数或偶数时的概率P(n,m)求和得到，则根据式(6)，有
式(7)为所有n为奇数的项求和或所有n为偶数的项求和；所有n为奇数的情况式(7)中P(±)取P(-)号，所有n为偶数的情况式(7)中P(±)取P(+)；
则P(+)+P(-)＝1，且
7.根据权利要求6所述一种基于奇偶探测策略的超分辨量子干涉测量方法，其特征在于：所述脉冲激光器(2)以1MHz的频率输出宽度为100ns的脉冲激光。
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