CN109188393A - Gm-APD光子偏振探测系统 - Google Patents

Gm-APD光子偏振探测系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种Gm‑APD光子偏振探测系统，通过检测分光后、偏振片前的光子数，再结合路光子计数可求得每一路光子在各路偏振片出的透光率，进而解算出回波信号光子的偏振态信息，实现了对远距离、微弱信号的探测。

Description

Gm-APD光子偏振探测系统
技术领域
本发明涉及雷达探测技术领域，更具体的说是涉及一种Gm-APD光子偏振探测系统。
背景技术
雷达探测广泛应用于军工探测、气象探测和科学研究等领域。随着应用需求的提高，要求能准确探测并识别更远、更小目标，探测此类目标时回波信号往往仅仅有几个光子。传统雷达由于功率与探测灵敏度有限，不能响应如此微弱的信号，更无法提取回波信号的光子性质。
因此，如何实现对远距离、微弱信号的探测是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种Gm-APD光子偏振探测系统，以此测量光子的斯托克斯参量，进而解算出回波信号光子的偏振态，实现对远距离、微弱信号的探测。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种Gm-APD光子偏振探测系统，包括：光子发射系统和探测系统；
所述光子发射系统包括：依次设置的脉冲激光器、衰减器、线偏振和第一1/4波片；
所述探测系统包括：通过三个NPBS分成的四路光路和光子计数模块；其中，第一光路包括：依次设置的第一NPBS、第二NPBS、第一线偏振片、第一透镜组、第一Gm-APD；第二光路包括：依次设置的第一NPBS、第三NPBS、第二线偏振片、第二透镜组和第二Gm-APD；第三光路包括：依次设置的第二NPBS、第二1/4波片、第三线偏振片、第三透镜组和第三Gm-APD；第四光路包括：第三NPBS、第四透镜组和第四Gm-APD；
且所述第一Gm-APD、所述第二Gm-APD、所述第三Gm-APD和所述第四Gm-APD均与所述光子计数模块相连；
所述光子计数模块与所述数据处理器相连。
优选的，所述第一NPBS、所述第二NPBS和所述第三NPBS均为50:50的NPBS。
优选的，所述第一线偏振片的透振方向为90°。
优选的，所述第二线偏振片的透振方向为45°。
优选的，所述第三线偏振片的透振方向为45°。
优选的，所述第一NPBS、所述第二NPBS和所述第三NPBS的ε0端均采用压缩真空态。
优选的，所述第四光路用于检测分光之后、偏振片之前的光子数，再根据其他三路的光子计数求得每一路光子在各路偏振片出的透过率，进而解算出回波信号光子的偏振态。
优选的，所述偏振态的解算方法为：
其中，Ps(k)是探测响应到k个光电子的概率；Ns是回波信号强度，也就回波脉冲内平均光电子数；Gm-APD探测器不响应概率为p(k＝0)＝exp(-Ns)，它产生响应的概率为
Ps(k≥1)＝1-exp(-Ns) (2)
系统采用四路Gm-APD测量斯托克斯参量，利用Gm-APD光子计数进行极微弱光的强度测量时，假设经过了M次测量统计，第i路与发射脉冲序列相关的雪崩脉冲数为Ki，则探测概率Pi可以计算得到
则第i路回波光电子数为
斯托克斯参量平均值为：
然后根据每一路回波信号强度的解算结果直接解算出回波信号光子的偏振态。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种Gm-APD光子偏振探测系统，通过第四光路检测分光后、偏振片前的光子数，再结合路光子计数可求得每一路光子在各路偏振片出的透光率，进而解算出回波信号光子的偏振态信息，为实现对远距离、微弱信号的探测提供了重要途径。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的Gm-APD光子偏振探测系统的结构示意图；
图2附图为本发明提供的不同光子数下偏振度起伏随压缩系数的变化的结果图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
参见附图1，本发明实施例公开了一种Gm-APD光子偏振探测系统，具体包括：光子发射系统和探测系统；
光子发射系统包括：依次设置的脉冲激光器1、衰减器2、线偏振片3和第一1/4波片4；
探测系统包括：通过三个NPBS分成的四路光路和光子计数模块5；其中，第一光路包括：依次设置的第一NPBS 6、第二NPBS 7、第一线偏振片8、第一透镜组9、第一Gm-APD 10；第二光路包括：依次设置的第一NPBS6、第三NPBS 11、第二线偏振片12、第二透镜组13和第二Gm-APD 14；第三光路包括：依次设置的第二NPBS 7、第二1/4波片15、第三线偏振片16、第三透镜组17和第三Gm-APD18；第四光路包括：第三NPBS 11、第四透镜组19和第四Gm-APD20；
且第一Gm-APD 10、第二Gm-APD 14、第三Gm-APD 18和第四Gm-APD 20均与光子计数模块5相连；
光子计数模块5与数据处理器51相连。
为了进一步优化上述技术方案，第一NPBS 6、第二NPBS 7和第三NPBS 11均为50:50的NPBS。
为了进一步优化上述技术方案，第一线偏振片8的透振方向为90°。
为了进一步优化上述技术方案，第二线偏振片12的透振方向为45°。
为了进一步优化上述技术方案，第三线偏振片16的透振方向为45°。
为了进一步优化上述技术方案，第一NPBS 6、第二NPBS 7和第三NPBS 11的ε0端均采用压缩真空态。
光子偏振探测系统采用脉冲激光做光源，光源处于相干态，信号中光子数满足泊松分布，即每个脉冲中的光子数是不确定的。而光子斯托克斯参量的检测最终会落实到光子数的探测。光子数起伏产生的不确定性必然会影响到斯托克斯参量的检测。检测精度也受到散粒噪声极限的限制。
因此，本发明中采用了压缩真空注入的方法，将已制备的压缩真空态注入到NPBS的ε0端，这样用起伏较小的压缩真空态取代原来的真空态。从而减小真空起伏对探测结果的影响。
附图2为本发明提供的不同光子数下偏振度起伏随压缩系数的变化。
图2中横轴表示真空压缩态的压缩系数，纵轴为偏振度的标准差。从图中可以看出当r＝0、1000个光子时，系统对光子偏振度的探测误差已经达到了0.17。随着r的增大起伏逐渐减小，最低可达0.13左右。这说明压缩真空注入的确可以降低真空起伏对探测精度的影响。因此选择合适的r值可有效的降低真空起伏对探测精度的影响。另外在图中也可看出，随着累积信号量的增多，ΔP也会降低。这是由于每一路光子探测都受到散粒噪声极限的限制，当光子数增大时，散粒噪声极限降低，探测精度提升。
为了进一步优化上述技术方案，第四光路用于检测分光之后、偏振片之前的光子数，再根据其他三路的光子计数求得每一路光子在各路偏振片出的透过率，进而解算出回波信号光子的偏振态。
为了进一步优化上述技术方案，偏振态的解算方法为：
其中，Ps(k)是探测响应到k个光电子的概率；Ns是回波信号强度，也就回波脉冲内平均光电子数；Gm-APD探测器不响应概率为p(k＝0)＝exp(-Ns)，它产生响应的概率为
Ps(k≥1)＝1-exp(-Ns) (2)
系统采用四路Gm-APD测量斯托克斯参量，利用Gm-APD光子计数进行极微弱光的强度测量时，假设经过了M次测量统计，第i路与发射脉冲序列相关的雪崩脉冲数为Ki，则探测概率Pi可以计算得到
则第i路回波光电子数为
斯托克斯参量平均值则有：
然后根据每一路回波信号强度的解算结果直接解算出回波信号光子的偏振态。
量子斯托克斯参量的平均值与经典斯托克斯参量在形式上具有极高的一致性。对于光子偏振探测而言，只需要光子斯托克斯参量的平均值即可得到光子的偏振信息。现做以下分析
S1的平均值有：
从上式中可以看出，只需要得到偏振态|ψ>在竖直方向投影的概率即可得到S1参量的平均值。如果得到竖直方向的投影概率，偏振片在量子力学中可表示为一个投影算符，实验上可令光子通过竖直方向的线偏振片，通过线偏振片的光子偏振必定是竖直方向，发生了量子态塌缩。如果某一光子的偏振态塌缩到水平方向，那么它必然会不通过偏振片。若要得偏振态塌缩到竖直方向的概率只需令大量光子(N个)入射竖直方向的线偏振片，在偏振片后探测光子个数(NS(1)个)，则可以得到：
所以有：
同理S2平均值有：
上式中用到易证。那么在实验中可令光子(N个)通过偏振方向为45度的偏振片，检测之后的光子数(NS(2)个)，从而得到偏振态在45度方向上的投影。则有：
对于S3的平均值可以用相似的方法，
因此，只需测得偏振态在右旋分量上的投影概率即可得到S3的平均值。可以对偏振态|ψ>从S1表象转换到S3表象，波函数记为|ψ'>。幺正变换算符为易证：
那么
其中|ψ左>——S3表象中左旋基矢；|ψ右>——S3表象中右旋基矢
因此偏振态|ψ>在右旋分量上的概率为：
实验上直接测出c1与c2是比较困难的，但是可以通过加1/4波片将圆偏振分量变为线偏振，用偏振片将得到的线偏振分量分离出来，通过探测筛选出来的线偏振分量从而得到原偏振态的圆偏振分量。将偏振态|ψ>入射到晶轴方向水平1/4波片上，之后入射到偏振方向为45度的线偏振片上，量子态的演化过程如下：
光子同时通过1/4波片与偏振片的概率：
因此，可将大量光子(N个)入射晶轴方向为水平方向的1/4波片与透振方向为45度的线偏振片，之后累计光子数(NS(3)个)，即可求出P右。
基于上述理论，本发明设计了Gm-APD光子偏振探测系统，具体请参见图1。光子偏振探测系统主要由两部分组成，包括：发射端和接收系统。
发射端包括脉冲激光器、衰减器、第一1/4波片和线偏振片构成。激光脉冲先经过衰减器，使脉冲中光子数达到单光子量级。然后经过线偏振片与第一1/4波片，若发射系统中不加载第一1/4波片，通过调制线偏振片的角度可实现发射光子线偏振态的调制。若加载第一1/4波片，通过控制线偏振片方向与第一1/4波片的快轴方向，产生一束已知斯托克斯参量的任意椭圆偏振光，用来模拟微弱回波信号的拟任意光子偏振态。最后将已调制偏振态的光子模拟为具有一定偏振态的回波光子直接入射接收系统。
接收系统由NPBS、线偏振片、第二1/4波片、透镜组、Gm-APD和光子计数模块组成。回波信号进入接收系统后由三个50:50的NPBS分为四路。光子经两次分光后进入第一路，在第一路中经过线偏振片(透振方向为90°)，在线偏振透射的光子入射通过透镜组聚焦到Gm-APD1上引发光子计数响应，对大量脉冲进行累积测量，第一路的累积计数记为K1；光子四路分光后在第二路经过线偏振片(透振方向为45°)，然后通过透镜组汇聚到Gm-APD2上引发计数响应，累积计数记为K2；光子在第三路先经过第二1/4波片(方位角为0°)和一个线偏振片(透振方向为45°)，然后入射到Gm-APD3上,累积计数记为K3。光子在第四路不经过任何光学元件直接通过透镜组汇聚到Gm-APD4上，累积计数记为K4。第四路的目的是检测分光之后、偏振片之前的光子数。再依据其他三路的光子计数即可求得每一路光子在各路偏振片处的透过率，进而可解算出回波信号光子的偏振态。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种Gm-APD光子偏振探测系统，其特征在于，包括：光子发射系统和探测系统；
所述光子发射系统包括：依次设置的脉冲激光器、衰减器、线偏振和第一1/4波片；
所述探测系统包括：通过三个NPBS分成的四路光路和光子计数模块；其中，第一光路包括：依次设置的第一NPBS、第二NPBS、第一线偏振片、第一透镜组、第一Gm-APD；第二光路包括：依次设置的第一NPBS、第三NPBS、第二线偏振片、第二透镜组和第二Gm-APD；第三光路包括：依次设置的第二NPBS、第二1/4波片、第三线偏振片、第三透镜组和第三Gm-APD；第四光路包括：第三NPBS、第四透镜组和第四Gm-APD；
且所述第一Gm-APD、所述第二Gm-APD、所述第三Gm-APD和所述第四Gm-APD均与所述光子计数模块相连；
所述光子计数模块与所述数据处理器相连。
2.根据权利要求1所述的Gm-APD光子偏振探测系统，其特征在于，所述第一NPBS、所述第二NPBS和所述第三NPBS均为50:50的NPBS。
3.根据权利要求1所述的Gm-APD光子偏振探测系统，其特征在于，所述第一线偏振片的透振方向为90°。
4.根据权利要求1所述的Gm-APD光子偏振探测系统，其特征在于，所述第二线偏振片的透振方向为45°。
5.根据权利要求1所述的Gm-APD光子偏振探测系统，其特征在于，所述第三线偏振片的透振方向为45°。
6.根据权利要求1所述的Gm-APD光子偏振探测系统，其特征在于，所述第一NPBS、所述第二NPBS和所述第三NPBS的ε0端均采用压缩真空态。
7.根据权利要求1所述的Gm-APD光子偏振探测系统，其特征在于，所述第四光路用于检测分光之后、偏振片之前的光子数，再根据其他三路的光子计数求得每一路光子在各路偏振片出的透过率，进而解算出回波信号光子的偏振态。
8.根据权利要求7所述的Gm-APD光子偏振探测系统，其特征在于，所述偏振态的解算方法为：
其中，Ps(k)是探测响应到k个光电子的概率；Ns是回波信号强度，也就回波脉冲内平均光电子数；Gm-APD探测器不响应概率为p(k＝0)＝exp(-Ns)，它产生响应的概率为
Ps(k≥1)＝1-exp(-Ns) (2)
系统采用四路Gm-APD测量斯托克斯参量，利用Gm-APD光子计数进行极微弱光的强度测量时，假设经过了M次测量统计，第i路与发射脉冲序列相关的雪崩脉冲数为Ki，则探测概率Pi可以计算得到
则第i路回波光电子数为
斯托克斯参量平均值为：
然后根据每一路回波信号强度的解算结果直接解算出回波信号光子的偏振态。
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