CN108469673B - 纠缠光子对时间和位置同步符合的量子成像装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种纠缠光子对时间和位置同步符合的量子成像装置及方法，包括纠缠源，遮光屏，信号光子位置测量支路和闲置光子位置测量支路，所述信号光子位置测量支路包括依次设置的成像透镜、第一滤光片、分辨率板、第一探测器，所述第一探测器与信号光子位置测量模块连接；所述闲置光子位置测量支路包括依次设置的第二滤光片、第二探测器，所述第二探测器与闲置光子位置测量模块连接；所述第一探测器、第二探测器均与时间符合模块连接，所述信号光子位置测量模块、闲置光子位置测量模块均与时间符合模块、空间符合模块连接，所述空间符合模块与光子计数图像合成模块连接。本发明提高光子收集效率，缩短成像时间。
Description
技术领域
本发明涉及量子成像技术领域，特别涉及一种纠缠光子对时间和位置同步符合的量子成像装置及方法。
背景技术
自发参量下量子成像技术是利用自发参量下转换得到的纠缠光子对具有高度关联的特性进行符合探测，从而恢复待测物体空间信息的一种新型成像技术。它不受经典瑞利散射极限的限制，突破经典成像极限，使得成像的质量和可见度得到提高，在显微成像、军用雷达和空间探测等方面有广泛的应用前景。
目前量子成像系统中多采用点探测器加扫描方式实现纠缠光子对的时间符合测量。由于自发参量下转换光子对的产生效率特别低，产生纠缠光子对的光场本身非常弱，其产生的纠缠光子对的强度在通常情况下仅能达到几个光子的水平。这就导致探测过程中杂散光(背景光以及用于自发参量下转换的泵浦光等)对信号光的干扰尤其严重。虽然探测器前滤波片的加入可降低杂散光的影响，但同波长杂散光对成像系统的干扰仍无法消除。此外，目前自发参量下转换量子成像系统中，闲置光路多采用单点单光子探测器进行扫描探测，只能探测到扫描处的纠缠光子对，而遗漏了别处经过的大量纠缠光子对，大大降低了光子收集效率。由于存在光子收集效率低和杂散光的干扰等问题，点探测器加扫描方式成像的空间分辨率不高，成像时间长。
本发明提出了一种纠缠光子对时间和位置同步符合的量子成像装置及方法，不仅克服了目前量子成像系统光子收集效率低、成像时间长等缺点，还提高了成像分辨率。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，适应现实需要，提供纠缠光子对时间和位置同步符合的量子成像装置及方法。
为了实现本发明的目的，本发明采用的技术方案为：
一种纠缠光子对时间和位置同步符合的量子成像装置，包括纠缠源，设置于纠缠源前方的遮光屏,设置于所述纠缠源前方两侧的信号光子位置测量支路和闲置光子位置测量支路，所述信号光子位置测量支路包括依次设置的成像透镜、第一滤光片、分辨率板、第一探测器，所述第一探测器与信号光子位置测量模块连接；所述闲置光子位置测量支路包括依次设置的第二滤光片、第二探测器，所述第二探测器与闲置光子位置测量模块连接；所述第一探测器、第二探测器均与时间符合模块连接，所述信号光子位置测量模块、闲置光子位置测量模块均与时间符合模块、空间符合模块连接，所述空间符合模块与光子计数图像合成模块连接；
所述纠缠源、成像透镜、第一探测器、第二探测器的位置关系满足透镜成像公式。
所述第一探测器、第二探测器均为MCP位敏阳极探测器。
所述MCP位敏阳极探测器的位敏阳极为电阻阳极、楔条形阳极、延时线阳极、游标阳极、交叉条纹阳极或多阳极微通道阵列的一种。
所述第一探测器、第二探测器与时间符合模块连接的方法为：第一探测器工作回路引出的信号光子到达时间信号输出至时间符合模块，第二探测器工作回路引出的闲置光子到达时间信号输出至时间符合模块。
所述的第一探测器与信号光子位置测量模块连接的方法为，第一探测器的位敏阳极输出的信号光子到达位置信号输出至信号光子位置测量模块；
所述的第二探测器与闲置光子位置测量模块连接的方法为，第二探测器的位敏阳极输出的闲置光子到达位置信号输出至闲置光子位置测量模块。
所述时间符合模块包括分别与第一探测器、第二探测器相连的两个时间测量支路，分别定义为第一测量支路、第二测量支路，所述两个测量支路均包括一个电流灵敏前放和一个光子到达定时单元，两个电流灵敏前放分别定义为，两个光子到达定时单元分别定义为，两个电流灵敏前放分别用于接收放大第一探测器、第二探测器的信号光子到达时间信号、闲置光子到达时间信号，两个光子到达定时单元的输出信号均与时间间隔测量单元连接，所述时间间隔测量单元输出同步采集脉冲。
所述信号光子位置测量模块、闲置光子位置测量模块均包括依次连接的电荷灵敏前放、峰值采集单元、位置解码单元，所述电荷灵敏前放用于接收并放大信号\闲置光子到达位置信号，所述峰值采集单元在检测到同步采集脉冲后对放大后的信号\闲置光子到达位置信号进行同步峰值采集，所述位置解码单元解码出信号\闲置光子位置坐标然后输出至空间符合模块。
一种纠缠光子对时间和位置同步符合的量子成像方法，包括以下步骤：
第一步，纠缠源产生纠缠光子对；纠缠源中的激光器发出的激光经聚焦镜聚焦后通过BBO晶体发生参量下转换，产生纠缠光子对；所述纠缠光子对中的一个光子作为信号光子，另一个光子作为闲置光子；
第二步，对第一步产生的纠缠光子对到达时间和位置同步符合测量；
第三步，光子计数图像合成模块利用光子计数方法进行量子图像的重建。具体重建方法如下：将探测器输入面虚拟为像素单元阵列，如像素值设置为N*M,其中N和M分别为X方向像素值和Y方向像素值，则空间符合模块输入的闲置光子位置坐标(x,y)可转化为像素坐标值，对每个像素对应的闲置光子数进行统计；将得到的每个像素的计数值归一化后转化为灰度值即可得到重建图像。
在所述第二步中，对第一步产生的光子对到达时间和位置同步符合测量的具体步骤包括：
1)信号光子经过成像透镜、第一滤光片和用于成像的分辨率板后到达第一探测器；闲置光子经第二滤光片消除杂散光后到达第二探测器；
2)信号光子被第一探测器探测到后，第一探测器的位敏阳极输出信号光子到达位置信号，将该信号输入信号光子位置测量模块；第一探测器工作回路引出的信号光子到达时间信号输入时间符合模块；
闲置光子被第二探测器探测到后，第二探测器的位敏阳极输出闲置光子到达位置信号，将该信号输入闲置光子位置测量模块；第二探测器工作回路引出的闲置光子到达时间信号输入时间符合模块；
3)时间符合模块对信号光子到达时间信号、闲置光子到达时间信号进行放大，然后测量出这两个光子到达时间的时间间隔，如果时间间隔小于设定阈值，则输出同步采集脉冲；
4)信号光子位置测量模块对输入的信号光子到达位置信号进行放大、闲置光子位置测量模块对输入的闲置光子到达位置信号进行放大，之后在检测到时间符合模块输出的同步采集脉冲后，峰值采集单元对放大后的信号光子到达位置信号、闲置光子到达位置信号进行同步峰值采集，并将采集的峰值数据输入位置解码单元。位置解码单元利用峰值数据解码出信号光子位置坐标、闲置光子位置坐标，并将信号光子位置坐标、闲置光子位置坐标输入空间符合模块。
5)所述空间符合模块对信号光子位置测量模块输入的信号光子位置坐标、闲置光子位置测量模块输入的闲置光子位置坐标进行空间符合判别，如果这两个光子的位置坐标符合纠缠特性，则将闲置光子位置坐标作为有效数据输入光子计数图像合成模块。
本发明的有益效果在于：
1.缩短成像时间。采用具有面阵结构的MCP位敏阳极探测系统取代点探测器加扫描的方式，提高光子收集效率，缩短成像时间；
2.成像分辨率高。在传统的纠缠光子对时间符合的基础上，连续、同步测量纠缠光子对到达位置，通过进一步的位置符合，滤除杂散光和暗计数的干扰，提高成像分辨率。
附图说明
图1为本发明的系统组成框图。
图2为本发明时间符合模块的组成框图。
图3为本发明信号光子位置测量模块的结构框图。
图中，1为纠缠源，101为激光器、102为聚焦镜、103为BBO晶体，2为遮光屏，3为信号光子位置测量支路，301为成像透镜，302为第一滤光片，303为分辨率板，304为第一探测器，305为信号光子位置测量模块，3051为电荷灵敏前放，3052为峰值采集单元，3053为位置解码单元，4为闲置光子位置测量支路，401为第二滤光片，402为第二探测器，403为闲置光子位置测量模块，5为时间符合模块,501为第一测量支路，5011为电流灵敏前放，5012为光子到达定时单元，502为第二测量支路，5021为电流灵敏前放，5022为光子到达定时单元，503为时间间隔测量单元，6为空间符合模块，7为光子计数图像合成模块
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
本发明公开了一种纠缠光子对时间和位置同步符合的量子成像装置，如图1所示，包括纠缠源1，设置于纠缠源1前方的遮光屏2，设置于纠缠源1前方两侧的信号光子位置测量支路3和闲置光子位置测量支路4，信号光子位置测量支路3包括依次设置的成像透镜301、第一滤光片302、分辨率板303、第一探测器304，第一探测器304与信号光子位置测量模块305连接；闲置光子位置测量支路4包括依次设置的第二滤光片401、第二探测器402，第二探测器402与闲置光子位置测量模块403连接；第一探测器304、第二探测器402均与时间符合模块5连接，信号光子位置测量模块305、闲置光子位置测量模块403均与时间符合模块5、空间符合模块6连接，空间符合模块6与光子计数图像合成模块7连接；
其中，第一探测器304、第二探测器402均为MCP位敏阳极探测器。MCP位敏阳极的位敏阳极为电阻阳极、楔条形阳极、延时线阳极、游标阳极、交叉条纹阳极或多阳极微通道阵列。
纠缠源1包括沿光线传递方向依次设置的激光器101、聚焦镜102、BBO晶体103；纠缠源1、成像透镜301、第一探测器304、第二探测器402的位置关系满足透镜成像公式。
第一探测器304、第二探测器402探测到光子后，其输入窗内表面的光电阴极产生光电效应，发射光电子。光电子经过级联MCP倍增形成电荷云团，电荷云团经电场加速后被位敏阳极接收。位敏阳极上互相绝缘的各电极所接收的电荷量与被云团直接覆盖的面积成正比，因此，位敏阳极各电极输出的多路电荷脉冲幅度可用于求解电荷云团的质心，该质心对应于入射光子的二维坐标。第一探测器304、第二探测器402探测的位敏阳极输出的多路脉冲信号即分别作为信号、闲置光子到达位置信号输入信号光子位置测量模块305、闲置光子位置测量模块403。此外，上述光子探测过程中电子云团从级联MCP输出面出射后，由于电荷守恒原理，MCP的工作回路要对MCP进行充电。因此可以将第一探测器304、第二探测器402的工作回路充电信号引出分别作为信号光子到达时间信号、闲置光子到达时间信号输入时间符合模块5。
虽然MCP位敏阳极探测器位敏阳极的输出信号同时携带了光子的到达时间和位置信息，但为了保证精度，本发明光子到达时间和位置分开测量，信号\闲置光子到达时间信号由第一\第二探测器工作回路引出，并采用宽带宽的电流灵敏前放保全时间信息；利用第一\第二探测器位敏阳极输出信号作为信号\闲置光子到达位置信号，并采用电荷灵敏前放保证电荷量的测量精度。
时间符合模块5输出的同步采集脉冲504同时输入到信号光子位置测量模块305和闲置光子位置测量模块403。
如图2所示，时间符合模块5包括分别与第一探测器304、第二探测器402相连的两个时间测量支路，分别定义为第一测量支路501、第二测量支路502，所述两个测量支路均包括一个电流灵敏前放和一个光子到达定时单元，两个电流灵敏前放分别定义为5011、5021，两个光子到达定时单元分别定义为5012、5022，两个电流灵敏前放分别用于接收放大第一探测器304、第二探测器402的信号光子到达时间信号、闲置光子到达时间信号，两个光子到达定时单元5012、5022的输出信号均与时间间隔测量单元503连接，所述时间间隔测量单元503输出同步采集脉冲504。
信号光子位置测量模块305、闲置光子位置测量模块403均包括依次连接的电荷灵敏前放、峰值采集单元、位置解码单元，图3中示出的是信号光子位置测量模块305的组成框图，闲置光子位置测量模块403的组成框图结构类似，在此不再赘述。图中，包括依次连接的电荷灵敏前放3051、峰值采集单元3052、位置解码单元3053，所述电荷灵敏前放3051用于接收并放大信号光子到达位置信号，所述峰值采集单元3052在检测到同步采集脉冲504后对放大后的信号光子到达位置信号进行同步峰值采集，所述位置解码单元3053输出信号光子位置坐标至空间符合模块6。
本发明还公开了一种纠缠光子对时间和位置同步符合的量子成像装置的成像方法，其特征是包括以下步骤：
第一步，纠缠源1产生纠缠光子对。纠缠源1中的激光器101发出的激光经聚焦镜102聚焦后通过BBO晶体103发生参量下转换，产生纠缠光子对。所述纠缠光子对中的一个光子作为信号光子，另一个光子作为闲置光子；
第二步，对上述步骤中产生的光子对到达时间和位置同步符合测量，具体步骤如下：
1)信号光子经过成像透镜301、第一滤光片302和用于成像的分辨率板303后到达第一探测器304；闲置光子经第二滤光片401消除杂散光后到达第二探测器402；
2)信号光子被第一探测器304探测到后，第一探测器304的位敏阳极输出信号光子到达位置信号，将该信号输入信号光子位置测量模块305；第一探测器304工作回路引出的信号光子到达时间信号输入时间符合模块5；
闲置光子被第二探测器402探测到后，第二探测器402的位敏阳极输出闲置光子到达位置信号，将该信号输入闲置光子位置测量模块403；第二探测器402工作回路引出的闲置光子到达时间信号输入时间符合模块5。
3)时间符合模块5对信号光子到达时间信号、闲置光子到达时间信号进行放大，然后测量出这两个光子到达时间的时间间隔，如果时间间隔小于设定阈值，则输出同步采集脉冲504；
4)信号光子位置测量模块305对输入的信号光子到达位置信号进行放大、闲置光子位置测量模块403对输入的闲置光子到达位置信号进行放大，之后在检测到时间符合模块5输出的同步采集脉冲504后，峰值采集单元对放大后的信号光子到达位置信号、闲置光子到达位置信号进行同步峰值采集，并将采集的峰值数据输入位置解码单元。位置解码单元利用峰值数据解码出信号光子位置坐标、闲置光子位置坐标。以楔条形阳极(WSZ)为例，相互绝缘的三个电极W、S、Z收集的电荷量分别为QW、QS和QZ，则信号\闲置光子位置坐标可通过下式求出：
最后将信号光子位置坐标、闲置光子位置坐标输入空间符合模块6。
5)所述空间符合模块6对信号光子位置测量模块305输入的信号光子位置坐标、闲置光子位置测量模块403输入的闲置光子位置坐标进行空间符合判别，如果这两个光子的位置坐标符合纠缠特性，则将闲置光子位置坐标作为有效数据输入光子计数图像合成模块7。如果这两个光子的位置坐标不符合纠缠特性，则舍弃这个闲置光子位置坐标。
第三步，光子计数图像合成模块7利用光子计数方法进行量子图像的重建。具体的重建方法如下：将探测器输入面虚拟为像素单元阵列，如像素值设置为N*M,其中N和M分别为X方向像素值和Y方向像素值，则空间符合模块6输入的闲置光子位置坐标(x,y)可转化为像素坐标值，对每个像素对应的闲置光子数进行统计。将得到的每个像素的计数值归一化后转化为灰度值即可得到重建图像。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (8)
1.一种纠缠光子对时间和位置同步符合的量子成像装置，其特征在于：包括纠缠源（1），设置于纠缠源（1）前方的遮光屏（2）,设置于所述纠缠源（1）前方两侧的信号光子位置测量支路（3）和闲置光子位置测量支路（4），所述信号光子位置测量支路（3）包括依次设置的成像透镜（301）、第一滤光片（302）、分辨率板（303）、第一探测器（304），所述第一探测器（304）与信号光子位置测量模块（305）连接；所述闲置光子位置测量支路（4）包括依次设置的第二滤光片（401）、第二探测器（402），所述第二探测器（402）与闲置光子位置测量模块（403）连接；所述第一探测器（304）、第二探测器（402）均与时间符合模块（5）连接，所述信号光子位置测量模块（305）、闲置光子位置测量模块（403）均与时间符合模块（5）、空间符合模块（6）连接，所述空间符合模块（6）与光子计数图像合成模块（7）连接；
所述纠缠源（1）、成像透镜（301）、第一探测器（304）、第二探测器（402）的位置关系满足透镜成像公式；
所述第一探测器（304）、第二探测器（402）均为MCP位敏阳极探测器。
2.根据权利要求1所述的一种纠缠光子对时间和位置同步符合的量子成像装置，其特征在于：所述MCP位敏阳极探测器的位敏阳极为电阻阳极、楔条形阳极、延时线阳极、游标阳极、交叉条纹阳极或多阳极微通道阵列的一种。
3.根据权利要求1所述的一种纠缠光子对时间和位置同步符合的量子成像装置，其特征在于：所述第一探测器（304）、第二探测器（402）与时间符合模块（5）连接的方法为：第一探测器（304）工作回路引出的信号光子到达时间信号输出至时间符合模块（5），第二探测器（402）工作回路引出的闲置光子到达时间信号输出至时间符合模块（5）。
4.根据权利要求1所述的一种纠缠光子对时间和位置同步符合的量子成像装置，其特征在于：所述的第一探测器（304）与信号光子位置测量模块（305）连接的方法为，第一探测器（304）的位敏阳极输出的信号光子到达位置信号输出至信号光子位置测量模块（305）；
所述的第二探测器（402）与闲置光子位置测量模块（403）连接的方法为，第二探测器（402）的位敏阳极输出的闲置光子到达位置信号输出至闲置光子位置测量模块（403）。
5.根据权利要求1所述的一种纠缠光子对时间和位置同步符合的量子成像装置，其特征在于：所述时间符合模块（5）包括分别与第一探测器（304）、第二探测器（402）相连的两个时间测量支路，分别定义为第一测量支路（501）、第二测量支路（502），所述第一测量支路（501）、第二测量支路（502）均包括一个电流灵敏前放和一个光子到达定时单元，两个电流灵敏前放分别定义为（5011、5021），两个光子到达定时单元分别定义为（5012、5022），两个电流灵敏前放分别用于接收放大第一探测器（304）、第二探测器（402）的信号光子到达时间信号、闲置光子到达时间信号，两个光子到达定时单元（5012、5022）的输出信号均与时间间隔测量单元（503）连接，所述时间间隔测量单元（503）输出同步采集脉冲（504）。
6.根据权利要求1所述的一种纠缠光子对时间和位置同步符合的量子成像装置，其特征在于：所述信号光子位置测量模块（305）、闲置光子位置测量模块（403）均包括依次连接的电荷灵敏前放、峰值采集单元、位置解码单元，所述电荷灵敏前放用于接收并放大信号\闲置光子到达位置信号，所述峰值采集单元在检测到同步采集脉冲（504） 后对放大后的信号\闲置光子到达位置信号进行同步峰值采集，所述位置解码单元解码出信号\闲置光子位置坐标然后输出至空间符合模块（6）。
7.根据权利要求1所述的一种纠缠光子对时间和位置同步符合的量子成像装置的成像方法，其特征在于：包括以下步骤：
第一步，纠缠源（1）产生纠缠光子对；纠缠源（1）中的激光器（101）发出的激光经聚焦镜（102）聚焦后通过BBO晶体（103）发生参量下转换，产生纠缠光子对；所述纠缠光子对中的一个光子作为信号光子，另一个光子作为闲置光子；
第二步，对第一步产生的纠缠光子对到达时间和位置同步符合测量；
第三步，光子计数图像合成模块（7）利用光子计数方法进行量子图像的重建，具体重建方法如下：将探测器输入面虚拟为像素单元阵列，像素值设置为N*M,其中N和M分别为X方向像素值和Y方向像素值，则空间符合模块（6）输入的闲置光子位置坐标（x,y）转化为像素坐标值，对每个像素对应的闲置光子数进行统计；将得到的每个像素的计数值归一化后转化为灰度值即可得到重建图像。
8.根据权利要求7所述的一种纠缠光子对时间和位置同步符合的量子成像方法，其特征在于：在所述第二步中，对第一步产生的光子对到达时间和位置同步符合测量的具体步骤包括：
1）信号光子经过成像透镜（301）、第一滤光片（302）和用于成像的分辨率板（303）后到达第一探测器（304）；闲置光子经第二滤光片（401）消除杂散光后到达第二探测器（402）；
2）信号光子被第一探测器（304）探测到后，第一探测器（304）的位敏阳极输出信号光子到达位置信号，将该信号输入信号光子位置测量模块（305）；第一探测器（304）工作回路引出的信号光子到达时间信号输入时间符合模块（5）；
闲置光子被第二探测器（402）探测到后，第二探测器（402）的位敏阳极输出闲置光子到达位置信号，将该信号输入闲置光子位置测量模块（403）；第二探测器（402）工作回路引出的闲置光子到达时间信号输入时间符合模块（5）；
3）时间符合模块（5）对信号光子到达时间信号、闲置光子到达时间信号进行放大，然后测量出这两个光子到达时间的时间间隔，如果时间间隔小于设定阈值，则输出同步采集脉冲（504）；
4）信号光子位置测量模块（305）对输入的信号光子到达位置信号进行放大、闲置光子位置测量模块（403）对输入的闲置光子到达位置信号进行放大，之后在检测到时间符合模块（5）输出的同步采集脉冲（504）后，峰值采集单元对放大后的信号光子到达位置信号、闲置光子到达位置信号进行同步峰值采集，并将采集的峰值数据输入位置解码单元，位置解码单元利用峰值数据解码出信号光子位置坐标、闲置光子位置坐标，并将信号光子位置坐标、闲置光子位置坐标输入空间符合模块（6）；
5）所述空间符合模块（6）对信号光子位置测量模块（305）输入的信号光子位置坐标、闲置光子位置测量模块（403）输入的闲置光子位置坐标进行空间符合判别，如果这两个光子的位置坐标符合纠缠特性，则将闲置光子位置坐标作为有效数据输入光子计数图像合成模块（7）。
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