CN106768312A - 热光源非定域物体辨别方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种热光源非定域物体辨别方法及系统，所述方法包括：非相干热光束均分为样本光束和探测光束；所述样本光束和所述探测光束分别通过样本光路和探测光路，其中，样本光路和探测光路对称设置；对比检测样本和被探测物的角双缝干涉图谱，当两个干涉图谱相同时，可判断被探测物与检测样本具有相同的角向分布。本发明利用非相干热光源，首次实现了利用轨道角动量域的关联特性的角双缝干涉图谱，通过对比检测样本和被探测物的图谱来辨别被探测物，该方法降低了对光源相干性的要求，从而拓展了其应用范围，且光路不需要直接照射被探测物，实现了对被探测物的非定域探测。

Description

热光源非定域物体辨别方法及系统

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其是涉及一种热光源非定域物体辨别方法及系统。

背景技术

1909年，Poynting发现光波具有自旋角动量。1992年，Leidon大学的Allen等人发现光子除具有自旋角动量外，还携带轨道角动量(OAM)。

2002年，Glasgow大学的Padgett小组实验上实现了光子轨道角动量分离技术，并且指出以轨道角动量作为信息载体，可大大提高单个光子的通讯容量，这主要是由于光子的轨道角动量是无限维度的。

2001年，Zeilinger小组首次实验演示了自发参量下转换产生的双光子显示出轨道角动量纠缠。

2005年，Woerdman小组利用半整数阶的螺旋相位实验演示了分数轨道角动量纠缠，并于2008年引入了“Shannon维度"的概念，用来刻画了高维轨道角动量纠缠所允许量子信道的通信容量。

目前，利用光子轨道角动量作为信息载体的应用技术领域还属于空白阶段，很多应用技术还仅处于理论探讨阶段，有待于本领域的科研人员做伸入的开发和研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种热光源非定域物体辨别方法及系统，以解决现有技术中存在的上述技术问题。

为实现上述目的，本发明还提供了一种热光源非定域物体辨别方法，包括如下步骤：

S1.非相干热光束均分为样本光束和探测光束；

S2.所述样本光束和所述探测光束分别通过样本光路和探测光路，其中，样本光路和探测光路对称设置；

S3.在所述探测光路上加载被探测物的叉型图，在所述样本光路上不加载任何物体；

所述探测光束的轨道角动量不变，改变所述样本光束的轨道角动量，对样本光束和探测光束进行轨道角动量的关联测量，利用热光源的二阶关联特性，获得被探测物的角双缝所对应的标准轨道角动量谱；

S4.在所述样本光路加载不同检测样本的叉型图，在所述探测光路上继续加载被探测物的叉型图；

所述探测光束的轨道角动量不变，再次改变所述样本光束的轨道角动量，对样本光束和探测光束进行轨道角动量的关联测量，利用热光源的二阶关联特性，获得不同检测样本的角双缝所对应的样本轨道角动量谱；

S5.对比标准轨道角动量谱和样本轨道角动量谱，当两者一致时，被探测物与该检测样本相同。

进一步地，所述样本光路和所述探测光路上对称设置有空间光调制器，所述空间光调制器用于向所述样本光束或所述探测光束加载检测样本或者被探测物叉型图。

进一步地，代表不同角动量值的所述叉型图由计算机程序生成。

进一步地，所述非相干热光束为一级衍射光谱；或者，所述非相干热光束在均分为所述样本光束和所述探测光束前，利用光阑过滤只保留一级衍射光谱。

进一步地，步骤S3中，同步采集所述样本光束和探测光束的光信号，以实现轨道角动量的关联测量。

进一步地，步骤S3中，通过控制信号采集的时间窗口，以保持所述样本光路和所述探测光路的光子采集同步。

进一步地，所述样本光束和探测光束进行轨道角动量的关联测量时，需满足如下公式：

其中，G⁽²⁾为代表轨道角动量的二阶关联函数；

l₁为样本光路中的轨道角动量值；

l₂为探测光路中的轨道角动量值；

I₁为样本光路中单光子探测器测量的光强值；

I₂为探测光路中单光子探测器测量的光强值；

为样本光路末端单光子探测器探测面的光场分布函数；

为探测光路末端单光子探测器探测面的光场分布函数；

ΔG为热光轨道角动量的涨落关联函数。

一种热光源非定域物体辨别系统，其包括光路上依次设置的热光源、非偏振分束器、空间光调制器(SLM)、单光子探测器(APD)和计算机；

所述热光源用于发出非相干热光束；

所述非相干热光束通过所述非偏振分束器按照光强均分为样本光束和探测光束；

所述样本光束的光路为样本光路，

所述探测光束的光路为探测光路；

所述样本光路与所述探测光路上的元器件对称设置；

所述空间光调制器用于改变光子的轨道角动量；所述单光子探测器用于收集光信号；

所述空间光调制器包括所述样本光路和所述探测光路上对称设置的第一空间光调制器(SLM₁)和第二空间光调制器(SLM₂)；

所述单光子探测器包括所述样本光路和所述探测光路上对称设置的第一单光子探测器(APD₁)和第二单光子探测器(APD₂)；

所述第一单光子探测器(APD₁)和所述第二单光子探测器(APD₂)与计算机连接，计算机同步采集所述样本光束和探测光束的光信号，并对样本光束和探测光束的光子进行关联测量。

进一步地，所述第一单光子探测器(APD₁)和所述第二单光子探测器(APD₂)与所述计算机主板上的采集卡连接。

进一步地，所述热光源包括激光发生器和数字微镜面，自激光发生器发出的激光束照射所述数字微镜面产生空间相位随机分布的非相干热光束；激光光束经数字微镜面反射后通过所述非偏振分束器。

进一步地，所述数字微镜面(DMD)与所述非偏振分束器之间的光路上设置有只让一级光谱通过的光阑。

进一步地，所述数字微镜面(DMD)与所述光阑之间设置有双凸透镜，所述光阑设置在双凸透镜的焦距上。

进一步地，在所述非偏振分束器与所述光阑之间设置有双凸透镜。

进一步地，所述第一单光子探测器(APD₁)包括通过单模光钎连接的第一镜头，所述第一镜头设置在所述样本光路末端，用于接收样本光束的信号；

所述第二单光子探测器(APD₂)包括通过单模光钎连接的第二镜头，所述第二镜头设置在所述探测光路末端，用于接收探测光束的信号。

进一步地，所述样本光路和探测光路上，所述镜头和所述空间光调制器之间设置有双凸透镜、以及只让一级光谱通过的光阑。

进一步地，所述第一空间光调制器和所述第二空间光调制器与计算机连接，计算机用于通过空间光调制器向样本光束和/或探测光束加载代表设定角动量值的检测样本或者被探测物。

进一步地，所述被探测物为角向的振幅型透射物体。

进一步地，所述计算机中存储多个所述检测样品的样品图库。

本发明中通过计算机程序生成一个待测“物体”的透过率分布函数，然后将这个生成的“物体”分布函数用软件生成待测物体的图片，然后通过SLM的控制软件，将“物体”图片加载到SLM的反射面上。这样当光束照射到SLM并反射后，所产生的光场就加载了待测物体的信息。

本发明利用非相干热光源，首次实现了利用轨道角动量域的关联特性的角双缝干涉图谱，通过对比检测样本和被探测物的图谱来辨别被探测物，该方法降低了对光源相干性的要求，从而拓展了其应用范围，且光路不需要直接照射被探测物，实现了对被探测物的非定域探测。

其中，所述“非定域”是指样本光路和探测光路不直接照射被测物体。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的热光源非定域物体辨别系统结构示意图；

图2为被探测物T₂的角双缝所对应的轨道角动量谱；

图3-7为不同检测样本T₁的角双缝所对应的轨道角动量谱。

附图标记：

1-激光发生器；2-计算机；10-非相干热光束；BS-非偏振分束器；11-样本光束；12-探测光束；SLM₁-第一空间光调制器；SLM₂-第二空间光调制器；Q₁-第一镜头；Q₂-第二镜头；APD₁-第一单光子探测器；APD₂-第二单光子探测器；P₁-第一光阑；P₂-第二光阑；P₃-第三光阑；L₁-第一双凸透镜；L₂-第二双凸透镜；L₃-第三双凸透镜；L₄-第四双凸透镜；SMF-单模光钎；DMD-数字微镜面。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合具体的实施方式对本发明做进一步的解释说明。

实施例1

如图1-2所示，本实施例提供的一种热光非定域角双缝干涉系统，其包括光路上依次设置的热光源、非偏振分束器BS、空间光调制器、单光子探测器和计算机2；

热光源用于发出非相干热光束10；

非相干热光束10通过非偏振分束器BS按照光强均分为样本光束11和探测光束12；

样本光束11的光路为样本光路，

探测光束12的光路为探测光路；

样本光路与探测光路上的元器件对称设置；

空间光调制器用于改变光子的轨道角动量；单光子探测器用于收集光信号；

空间光调制器包括样本光路和探测光路上对称设置的第一空间光调制器SLM₁和第二空间光调制器SLM₂；

单光子探测器包括样本光路和探测光路上对称设置的第一单光子探测器APD₁和第二单光子探测器APD₂；

第一单光子探测器APD₁和第二单光子探测器APD₂与计算机2连接，计算机2同步采集样本光束11和探测光束12的光信号，并对样本光束11和探测光束12的光子进行关联测量。

第一单光子探测器APD₁和第二单光子探测器APD₂与计算机2主板上的采集卡连接。

其中，热光源包括激光发生器1和数字微镜面DMD，自激光发生器1发出的激光束照射数字微镜面DMD产生空间相位随机分布的非相干热光束。

其中，数字微镜面DMD与非偏振分束器BS之间的光路上设置有只让一级光谱通过的第一光阑P₁。

数字微镜面DMD与第一光阑P₁之间设置有第一双凸透镜L₁，第一光阑P₁设置在第一双凸透镜L₁的焦距上。

在非偏振分束器BS与第一光阑P₁之间设置有第二双凸透镜L₂。

第一单光子探测器APD₁包括通过单模光钎SMF连接的第一镜头Q₁，第一镜头Q₁设置在样本光路末端，用于接收样本光束11的信号；

第二单光子探测器APD₂包括通过单模光钎SMF连接的第二镜头Q₂，第二镜头Q₂设置在探测光路末端，用于接收探测光束12的信号。

样本光路上，第一镜头Q₁和第一空间光调制器SLM₁之间设置有第三双凸透镜L₃、以及只让一级光谱通过的第二光阑P₂。

探测光路上，第二镜头Q₂和第二空间光调制器SLM₂之间设置有第四双凸透镜L₄、以及只让一级光谱通过的第三光阑P₃。

第一空间光调制器SLM₁和第二空间光调制器SLM₂与计算机2连接，计算机2用于通过第一空间光调制器SLM₁向样本光束11加载检测样本T₁的叉型图。

计算机2用于通过第二空间光调制器SLM₂向探测光束12加载被探测物T₂的叉型图。

检测样本T₁和被探测物T₂为角向的振幅型透射物体。而检测样本T₁和被探测物T₂由计算机2程序模拟生成。

计算机通过第一单光子探测器APD₁和第二单光子探测器APD₂同步采集样本光束11和探测光束12的光信号的光场强度信息，将光场强度信息带入如下公式进行关联测量，最终获得角双缝所对应的轨道角动量谱。

通过分别关联测量获得检测样本T₁和被探测物T₂的角双缝所对应的轨道角动量谱，比较两个轨道角动量谱图，当两者相同时，检测样本T₁和被探测物T₂相同。

其中，计算机中存储有多个检测样品的样品图库，检测时可以不断调换检测样品，获得不同检测样本T₁的角双缝所对应的轨道角动量谱，直到两个图谱相同。

本发明利用非相干热光源，首次实现了利用轨道角动量域的关联特性的角双缝干涉图谱，通过对比检测样本和被探测物的图谱来辨别被探测物，该方法降低了对光源相干性的要求，从而拓展了其应用范围，且光路不需要直接照射被探测物，实现了对被探测物的非定域探测。

实施例2

本实施例提供了一种采用上述热光源非定域物体辨别系统的热光源非定域物体辨别方法，其包括如下步骤：

S1.非相干热光束均分为样本光束11和探测光束12；

S2.样本光束11和探测光束12分别通过样本光路和探测光路，其中，样本光路和探测光路对称设置；

S3.在探测光路上加载被探测物的叉型图，在样本光路上不加载任何物体；

探测光束12的轨道角动量不变，改变样本光束11的轨道角动量，对样本光束11和探测光束12进行轨道角动量的关联测量，利用热光源的二阶关联特性，获得被探测物的角双缝所对应的标准轨道角动量谱；

S4.在样本光路加载不同检测样本的叉型图，在探测光路上继续加载被探测物的叉型图；

探测光束12的轨道角动量不变，再次改变样本光束11的轨道角动量，对样本光束11和探测光束12进行轨道角动量的关联测量，利用热光源的二阶关联特性，获得不同检测样本的角双缝所对应的样本轨道角动量谱；

S5.对比标准轨道角动量谱和样本轨道角动量谱，当两者一致时，被探测物与该检测样本相同。

样本光路和探测光路上对称设置有第一空间光调制器SLM₁和第二空间光调制器SLM₂，第一空间光调制器SLM₁和第二空间光调制器SLM₂用于分别向样本光束11或探测光束12加载检测样本或者被探测物的叉型图，实现向样本光路或探测光路加载轨道角动量值。代表不同角动量值的叉型图由计算机程序生成。

非相干热光束为一级衍射光谱；或者，非相干热光束在均分为样本光束11和探测光束12前，利用光阑过滤只保留一级衍射光谱。

步骤S3中，同步采集样本光束11和探测光束12的光信号，以实现轨道角动量的关联测量。通过控制信号采集的时间窗口，以保持样本光路和探测光路的光子采集同步。

样本光束11和探测光束12进行轨道角动量的关联测量时，需满足如下公式：

其中，G⁽²⁾为代表轨道角动量的二阶关联函数；

l₁为样本光路中的轨道角动量值；

l₂为探测光路中的轨道角动量值；

I₁为样本光路中单光子探测器测量的光强值；

I₂为探测光路中单光子探测器测量的光强值；

为样本光路末端单光子探测器探测面的光场分布函数；

为探测光路末端单光子探测器探测面的光场分布函数；

ΔG为热光轨道角动量的涨落关联函数。

其中，计算机中设置有存储有多个检测样品的样品图库，

如图2所示，为单独将被探测物T₂放入热光源非定域物体辨别系统中的探测光路，样本光路中无检测样本，通过关联测量，即探测光路中的轨道角动量值固定不变，样本光路中的轨道角动量值从-7到+7扫描，得到的被探测物T₂的角双缝所对应的标准轨道角动量谱；

而图3-7为在热光源非定域物体辨别系统中探测光路中放入被探测物T₂，样本光路中放入不同的检测样本T₁后，热光源非定域物体辨别系统通过关联测量，即探测光路中的轨道角动量值固定不变，样本光路中的轨道角动量值从-7到+7扫描，得到的不同检测样本T₁的角双缝所对应的样本轨道角动量谱。

由图可以看出，只有当被探测物T₂和检测样本T₁的叉型图一致时，两者所对应的轨道角动量谱图才相同，通过该比较方法可以获知被探测物T₂的图像信息。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种热光源非定域物体辨别方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1.非相干热光束均分为样本光束和探测光束；

S2.所述样本光束和所述探测光束分别通过样本光路和探测光路，其中，样本光路和探测光路对称设置；

S3.在所述探测光路上加载被探测物的叉型图，在所述样本光路上不加载任何物体；

所述探测光束的轨道角动量不变，改变所述样本光束的轨道角动量，对样本光束和探测光束进行轨道角动量的关联测量，利用热光源的二阶关联特性，获得被探测物的角双缝所对应的标准轨道角动量谱；

S4.在所述样本光路加载不同检测样本的叉型图，在所述探测光路上继续加载被探测物的叉型图；

所述探测光束的轨道角动量不变，再次改变所述样本光束的轨道角动量，对样本光束和探测光束进行轨道角动量的关联测量，利用热光源的二阶关联特性，获得不同检测样本的角双缝所对应的样本轨道角动量谱；

S5.对比标准轨道角动量谱和样本轨道角动量谱，当两者一致时，被探测物与该检测样本相同。

2.根据权利要求1所述的热光源非定域物体辨别方法，其特征在于，所述样本光路和所述探测光路上对称设置有空间光调制器，所述空间光调制器用于向所述样本光束或所述探测光束加载检测样本或者被探测物叉型图。

3.根据权利要求2所述的热光源非定域物体辨别方法，其特征在于，代表不同角动量值的所述叉型图由计算机程序生成。

4.根据权利要求1所述的热光源非定域物体辨别方法，其特征在于，所述非相干热光束为一级衍射光谱；或者，所述非相干热光束在均分为所述样本光束和所述探测光束前，利用光阑过滤只保留一级衍射光谱。

5.根据权利要求1所述的热光源非定域物体辨别方法，其特征在于，步骤S3中，同步采集所述样本光束和探测光束的光信号，以实现轨道角动量的关联测量。

6.根据权利要求5所述的热光源非定域物体辨别方法，其特征在于，步骤S3中，通过控制信号采集的时间窗口，以保持所述样本光路和所述探测光路的光子采集同步。

7.根据权利要求1所述的热光源非定域物体辨别方法，其特征在于，所述样本光束和探测光束进行轨道角动量的关联测量时，需满足如下公式：

$\begin{array}{c}{G}^{\left(2\right)}(l_1,l_2)=<I_1{I}_2>=<{\mathrm{\&psi;}}_{l_1}^{*}{\mathrm{\&psi;}}_{l_2}^{*}{\mathrm{\&psi;}}_{l_2}{\mathrm{\&psi;}}_{l_1}>\\ =<{\mathrm{\&psi;}}_{l_1}^{*}{\mathrm{\&psi;}}_{l_1}><{\mathrm{\&psi;}}_{l_2}^{*}{\mathrm{\&psi;}}_{l_2}>+|<{\mathrm{\&psi;}}_{l_1}^{*}{\mathrm{\&psi;}}_{l_2}>{|}^2\\ =<I_1><I_2>+{\mathrm{\&Delta;G}}^{\left(2\right)}(l_1,l_2)\end{array}$

其中，G⁽²⁾为代表轨道角动量的二阶关联函数；

l₁为样本光路中的轨道角动量值；

l₂为探测光路中的轨道角动量值；

I₁为样本光路中单光子探测器测量的光强值；

I₂为探测光路中单光子探测器测量的光强值；

为样本光路末端单光子探测器探测面的光场分布函数；

为探测光路末端单光子探测器探测面的光场分布函数；

ΔG为热光轨道角动量的涨落关联函数。

8.一种热光源非定域物体辨别系统，其特征在于，其包括光路上依次设置的热光源、非偏振分束器、空间光调制器、单光子探测器和计算机；

所述热光源用于发出非相干热光束；

所述非相干热光束通过所述非偏振分束器按照光强均分为样本光束和探测光束；

所述样本光束的光路为样本光路，

所述探测光束的光路为探测光路；

所述样本光路与所述探测光路上的元器件对称设置；

所述空间光调制器用于改变光子的轨道角动量；所述单光子探测器用于收集光信号；

所述空间光调制器包括所述样本光路和所述探测光路上对称设置的第一空间光调制器和第二空间光调制器；

所述单光子探测器包括所述样本光路和所述探测光路上对称设置的第一单光子探测器和第二单光子探测器；

所述第一单光子探测器和所述第二单光子探测器与所述计算机主板上的采集卡连接，计算机同步采集所述样本光束和探测光束的光信号，并对样本光束和探测光束的光子进行关联测量。

9.根据权利要求8所述的热光源非定域物体辨别系统，其特征在于，所述热光源包括激光发生器和数字微镜面，自激光发生器发出的激光束照射所述数字微镜面产生空间相位随机分布的非相干热光束；激光光束经数字微镜面反射后通过所述非偏振分束器；

所述数字微镜面与所述非偏振分束器之间的光路上设置有只让一级光谱通过的光阑；

所述样本光路和探测光路上，所述镜头和所述空间光调制器之间设置有双凸透镜、以及只让一级光谱通过的光阑。

10.根据权利要求8所述的热光源非定域物体辨别系统，其特征在于，所述计算机中存储有多个所述检测样品的样品图库。