CN107014496B - 一种基于光子轨道角动量的纯相位物体成像系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于光子轨道角动量的纯相位物体成像系统，属于量子信息技术领域。解决了现有的成像系统纯相位物体成像困难的问题。它包括激光器、BBO晶体、两个透镜、两个滤波片、螺旋相位板、空间光调制器、两个单光子探测器、两个数据采集卡、关联测量电路和控制终端；本发明以光子轨道角动量纠缠态为基础，分析纯相位物体的成像过程，并将产生的纠缠光子对分成两路，并在其中一路中放置全相位物体，此路为信号光路，另一路为闲置光路，通过记录两条光路的关联计数，利用关联算法解算就可以恢复出纯相位物体的清晰像。本发明适合于应用在军事、医疗、天文以及搜救等非定域纯相位物体成像领域。
Description
技术领域
本发明属于量子信息技术领域。
背景技术
传统光学成像技术是通过记录辐射场的光强分布来获取目标的图像信息，因此成像与振幅改变量相关。而对于相位型目标和物体，经典探测手段无法成像，因此急需一种可以实现纯相位物体成像的系统。
发明内容
本发明是为了解决现有的成像系统纯相位物体成像困难的问题，本发明提供了一种基于光子轨道角动量的纯相位物体成像系统。
一种基于光子轨道角动量的纯相位物体成像系统，它包括激光器、BBO晶体、两个透镜、两个滤波片、螺旋相位板、空间光调制器、两个单光子探测器、两个数据采集卡、关联测量电路和控制终端；
激光器发出的光经BBO晶体后，产生等大反号的光子轨道角动量纠缠的光子对，
其中，光子对中一束光子作为信号光经一个透镜聚光后，又经一个滤波片滤波，入射至空间光调制器，
空间光调制器根据控制终端发出的相位控制信号，使其形成相位全息图，使入射至空间光调制器的信号光，逐点扫描相位全息图，以改变入射信号光的相位后，输出的信号光又通过单模光纤耦合后，入射至一个单光子探测器，该单光子探测器电信号输出端与一个数据采集卡的电信号输入端连接，该数据采集卡的脉冲信号输出端与关联测量电路的第一脉冲信号输入端连接；
光子对中另一束光子作为闲置光经另一个透镜聚光后，又经另一个滤波片进行滤波后，入射至螺旋相位板进行相位转换后，相位转换后的闲置光通过单模光纤耦合后，入射至另一个单光子探测器，该单光子探测器电信号输出端与另一个数据采集卡的电信号输入端连接，该数据采集卡的脉冲信号输出端与关联测量电路的第二脉冲信号输入端连接；
关联测量电路对接收的两路脉冲信号进行与运算，获得关联计数结果，控制终端根据关联测量电路输出的关联计数结果，通过关联算法解算及信号光对纯相位物体的扫描路径，从而恢复出纯相位物体的清晰像。
空间光调制器为透射式相位型空间光调制器。
经空间光调制器透射的信号光为高斯光，相位转换后的闲置光为高斯光。
所述的光子对中一束光子为+1阶拉盖尔—高斯光或-1阶拉盖尔—高斯光，且当该一束光子为+1阶拉盖尔—高斯光时，另一束光子为-1阶拉盖尔—高斯光，当一束光子为-1阶拉盖尔—高斯光时，另一束光子为+1阶拉盖尔—高斯光。
所述的+1阶拉盖尔—高斯光对应纯相位物体相位为0，-1阶拉盖尔—高斯光对应纯相位物体相位为π。
所述的滤波片为激光纯化滤波片，波长710nm，带宽2nm，中心波长透过率大于90％，直径25.4mm。
所述的单模光纤直径为6.25um，耦合效率为30％。
所述的激光器发出的光为波长是355nm的高斯光。
所述的激光器输出的光源为半连续激光源。
所述的一种基于光子轨道角动量的纯相位物体成像系统，还包括第三个透镜，该透镜位于激光器与BBO晶体之间。
本发明带来的有益效果是，本发明所述的基于光子轨道角动量的纯相位物体成像系统，是一种可以实现非定域成像系统，主要以光子轨道角动量纠缠态为基础，分析纯相位物体的成像过程，并将产生的纠缠光子对分成两路，并在其中一路中放置全相位物体，此路为信号光路，另一路为闲置光路，通过记录两条光路的关联计数，利用关联算法解算就可以恢复出纯相位物体的清晰像。
附图说明
图1为本发明所述的基于光子轨道角动量的纯相位物体成像系统的原理示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：参见图1说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于光子轨道角动量的纯相位物体成像系统，它包括激光器1、BBO晶体2、两个透镜10、两个滤波片3、螺旋相位板4、空间光调制器5、两个单光子探测器6、两个数据采集卡7、关联测量电路8和控制终端9；
激光器1发出的光经BBO晶体2后，产生等大反号的光子轨道角动量纠缠的光子对，
其中，光子对中一束光子作为信号光经一个透镜10聚光后，又经一个滤波片3滤波，入射至空间光调制器5，
空间光调制器5根据控制终端9发出的相位控制信号，使其形成相位全息图，使入射至空间光调制器5的信号光，逐点扫描相位全息图，以改变入射信号光的相位后，输出的信号光又通过单模光纤耦合后，入射至一个单光子探测器6，该单光子探测器6电信号输出端与一个数据采集卡7的电信号输入端连接，该数据采集卡7的脉冲信号输出端与关联测量电路8的第一脉冲信号输入端连接；
光子对中另一束光子作为闲置光经另一个透镜10聚光后，又经另一个滤波片3进行滤波后，入射至螺旋相位板4进行相位转换后，相位转换后的闲置光通过单模光纤耦合后，入射至另一个单光子探测器6，该单光子探测器6电信号输出端与另一个数据采集卡7的电信号输入端连接，该数据采集卡7的脉冲信号输出端与关联测量电路8的第二脉冲信号输入端连接；
关联测量电路8对接收的两路脉冲信号进行与运算，获得关联计数结果，控制终端9根据关联测量电路8输出的关联计数结果，通过关联算法解算及信号光对纯相位物体的扫描路径，从而恢复出纯相位物体的清晰像。
本实施方式，空间光调制器5根据控制终端9发出的相位控制信号，使其形成相位全息图，该相位全息图相当于纯相位物体，信号光穿透纯相位物体，改变信号光的相位，从而可恢复出纯相位物体的清晰像
单光子探测器6用于检测从单模光纤中传送过来的光子，当有一个光子进入单光子探测器6时，探测器就向外输出一个高电平。
数据采集卡7，用于从单光子探测器6电信号输出端接收高电平，并向外输出每秒钟所接受到的高电平的数目。
BBO晶体2为第一类非线性晶体，用于产生纠缠的光子对。
关联测量电路8，当于一个与门。由于纠缠光子对它们是在下转换过程中由一个光子分裂而成的，因此它们在产生的时间上是严格一致的。在测量端，检测到两边有光子同时到达记数一次，关联测量电路8就是将这两路的高低电平作与运算。关联测量逻辑电路最后输出在一秒内两边有光子同时到达发生的次数。
与现有技术相比，本发明基于光子轨道角动量的纯相位物体成像系统可以更加精准的获得目标的图像信息，提高系统性噪比。
原理分析：首先让激光器1发出的激光照射在BBO晶体2上。激光光经过BBO晶体2之后，有一部分被转化为710nm的激光，沿两路分别传播，一路是信号光，另一路为闲置光。两支光路是对称的，只需要对其中一路的传播进行分析。
在信号光路上，信号光首先经过一个透镜10，使光束变得更加的集中，通之后经过一个滤波片3，滤掉外界杂光。然后照射在纯相位物体上，纯相位物体由空间光调制器5产生，之后耦合进入单模光纤，其中非高斯光的束腰较大的不能进入单模光纤，只有那些被空间光调制器改变相位之后变为高斯光的光子可以进入，单模光纤将接收到的光子送入到单光子探测器6中。有光子进入单光子探测器6时就向外输出一个高电平。
其中，在信号光路上，为了不丢失物体的信息，我们对全相位物体进行逐点的传输，用全相位物体每一点的相位信息决定输入空间光调制器相位全息图。当全相位物体的某一点的相位为0时，通过控制终端9向空间光调制器5输入LG0，0模式的全息图，此时，信号光路和闲置光路所检测的光子之间没有纠缠关系，因此所得符合计数值低；当全相位物体的某点的相位为π时，则向空间光调制器上输入LG-1,0模式的相位全息图，此时信号光路和闲置光路中所检测的光子是纠缠的，因此所得符合计数值较高。
不断的重复这以过程，在测量端最终将得到全相位物体每一点所对应的符合计数值。数据采集卡把收集到的脉冲序列输入到关联测量电路8中，关联测量电路8对输入的两路脉冲序列做与运算，利用这些符合计数值，就可以恢复出物体的图像。
具体实施方式二：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种基于光子轨道角动量的纯相位物体成像系统的区别在于，空间光调制器5为透射式相位型空间光调制器。
具体实施方式三：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种基于光子轨道角动量的纯相位物体成像系统的区别在于，经空间光调制器5透射的信号光为高斯光，相位转换后的闲置光为高斯光。
具体实施方式四：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种基于光子轨道角动量的纯相位物体成像系统的区别在于，所述的光子对中一束光子为+1阶拉盖尔—高斯光或-1阶拉盖尔—高斯光，且当该一束光子为+1阶拉盖尔—高斯光时，另一束光子为-1阶拉盖尔—高斯光，当一束光子为-1阶拉盖尔—高斯光时，另一束光子为+1阶拉盖尔—高斯光。
具体实施方式五：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式四所述的一种基于光子轨道角动量的纯相位物体成像系统的区别在于，所述的+1阶拉盖尔—高斯光对应纯相位物体相位为0，-1阶拉盖尔—高斯光对应纯相位物体相位为π。
具体实施方式六：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种基于光子轨道角动量的纯相位物体成像系统的区别在于，所述的滤波片3为激光纯化滤波片，波长710nm，带宽2nm，中心波长透过率大于90％，直径25.4mm。
具体实施方式七：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种基于光子轨道角动量的纯相位物体成像系统的区别在于，所述的单模光纤直径为6.25um，耦合效率为30％。
本实施方式中，单模光纤只能够接收到束腰非常小的高斯光，其它模式的激光由于束腰太大不能被单模光纤接收到。它用于接收高斯光，并将这些光子送到单光子探测器6中。
具体实施方式八：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种基于光子轨道角动量的纯相位物体成像系统的区别在于，所述的激光器1发出的光为波长是355nm的高斯光。
本实施方式中，激光器1作为系统的光源，要求具有较高功率以及功率稳定性和频率稳定性，输出的是波长355nm的高斯光，作为照射在非线性晶体上的泵浦光，要求强度非常高。
具体实施方式九：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种基于光子轨道角动量的纯相位物体成像系统的区别在于，所述的激光器1输出的光源为半连续激光源。
具体实施方式九十：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种基于光子轨道角动量的纯相位物体成像系统的区别在于，还包括第三个透镜10，该透镜10位于激光器1与BBO晶体2之间。
本实施方式中，第三个透镜10是为了将光束会聚起来打在BBO晶体2上。
Claims (10)
1.一种基于光子轨道角动量的纯相位物体成像系统，其特征在于，它包括激光器(1)、BBO晶体(2)、两个透镜(10)、两个滤波片(3)、螺旋相位板(4)、空间光调制器(5)、两个单光子探测器(6)、两个数据采集卡(7)、关联测量电路(8)和控制终端(9)；
激光器(1)发出的光经BBO晶体(2)后，产生等大反号的光子轨道角动量纠缠的光子对，
其中，光子对中一束光子作为信号光经一个透镜(10)聚光后，又经一个滤波片(3)滤波，入射至空间光调制器(5)，
空间光调制器(5)根据控制终端(9)发出的相位控制信号，使其形成相位全息图，使入射至空间光调制器(5)的信号光，逐点扫描相位全息图，以改变入射信号光的相位后，输出的信号光又通过单模光纤耦合后，入射至一个单光子探测器(6)，该单光子探测器(6)电信号输出端与一个数据采集卡(7)的电信号输入端连接，该数据采集卡(7)的脉冲信号输出端与关联测量电路(8)的第一脉冲信号输入端连接；
光子对中另一束光子作为闲置光经另一个透镜(10)聚光后，又经另一个滤波片(3)进行滤波后，入射至螺旋相位板(4)进行相位转换后，相位转换后的闲置光通过单模光纤耦合后，入射至另一个单光子探测器(6)，该单光子探测器(6)电信号输出端与另一个数据采集卡(7)的电信号输入端连接，该数据采集卡(7)的脉冲信号输出端与关联测量电路(8)的第二脉冲信号输入端连接；
关联测量电路(8)对接收的两路脉冲信号进行与运算，获得关联计数结果，控制终端(9)根据关联测量电路(8)输出的关联计数结果，通过关联算法解算及信号光对纯相位物体的扫描路径，从而恢复出纯相位物体的清晰像。
2.根据权利要求1所述的一种基于光子轨道角动量的纯相位物体成像系统，其特征在于，空间光调制器(5)为透射式相位型空间光调制器。
3.根据权利要求1所述的一种基于光子轨道角动量的纯相位物体成像系统，其特征在于，经空间光调制器(5)透射的信号光为高斯光，相位转换后的闲置光为高斯光。
4.根据权利要求1所述的一种基于光子轨道角动量的纯相位物体成像系统，其特征在于，所述的光子对中一束光子为+1阶拉盖尔—高斯光或-1阶拉盖尔—高斯光，且当该一束光子为+1阶拉盖尔—高斯光时，另一束光子为-1阶拉盖尔—高斯光，当一束光子为-1阶拉盖尔—高斯光时，另一束光子为+1阶拉盖尔—高斯光。
5.根据权利要求4所述的一种基于光子轨道角动量的纯相位物体成像系统，其特征在于，所述的+1阶拉盖尔—高斯光对应纯相位物体相位为0，-1阶拉盖尔—高斯光对应纯相位物体相位为π。
6.根据权利要求1所述的一种基于光子轨道角动量的纯相位物体成像系统，其特征在于，所述的滤波片(3)为激光纯化滤波片，波长710nm，带宽2nm，中心波长透过率大于90％，直径25.4mm。
7.根据权利要求1所述的一种基于光子轨道角动量的纯相位物体成像系统，其特征在于，所述的单模光纤直径为6.25um，耦合效率为30％。
8.根据权利要求1所述的一种基于光子轨道角动量的纯相位物体成像系统，其特征在于，所述的激光器(1)发出的光为波长是355nm的高斯光。
9.根据权利要求1所述的一种基于光子轨道角动量的纯相位物体成像系统，其特征在于，所述的激光器(1)输出的光源为半连续激光源。
10.根据权利要求1所述的一种基于光子轨道角动量的纯相位物体成像系统，其特征在于，还包括第三个透镜(10)，该透镜(10)位于激光器(1)与BBO晶体(2)之间。
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