CN109814318B

CN109814318B - 一种量子螺旋成像系统

Info

Publication number: CN109814318B
Application number: CN201910210865.3A
Authority: CN
Inventors: 刘瑞; 齐文荣; 孔令军; 王周祥; 李勇男; 涂成厚; 王慧田
Original assignee: Nankai University
Current assignee: Nankai University
Priority date: 2019-03-20
Filing date: 2019-03-20
Publication date: 2020-07-28
Anticipated expiration: 2039-03-20
Also published as: CN109814318A

Abstract

本发明提供一种量子螺旋成像系统，涉及数字螺旋成像技术领域。该量子螺旋成像系统包括第一非线性晶体和第二非线性晶体，当经过第一非线性晶体产生的第一闲置光子与经过第二非线性晶体产生的第二闲置光子重合度减小直至不重合时，来自第一非线性晶体的第一信号光子和第二非线性晶体的第二信号光子产生的相干性会降低直至消失；在第一闲置光子和第二闲置光子重合之前先用第一闲置光子照射物体，则第一信号光子和第二信号光子不同轨道角动量成分之间的相干性会根据物体的对称性发生变化；所以不需要探测照射物体的第一闲置光子，只需探测未照射物体的携带不同轨道角动量的第一信号光子和第二信号光子的相干性即可实现对物体的识别。

Description

一种量子螺旋成像系统

技术领域

本发明涉及数字螺旋成像技术领域，特别是涉及一种量子螺旋成像系统。

背景技术

成像是获取物体信息的重要方式。低能量少量光子或单光子探测器成像因具有重要优点而不断吸引着研究者：低能量少量光子意味着在生命科学研究中或者目标探测领域更安全，单光子相机则意味着体积更小、更便宜。一种称为数字螺旋成像(digital spiralimaging，DSI)的技术提供了一种稀疏感知(sparse sensing)方式。DSI使用单光子探测器，所以比传统电荷耦合器件相机(Charge Coupled Device，CCD)在对物体进行识别方面更加高效。DSI利用了光子的轨道角动量(orbital angular momentum，OAM)，OAM具有拓扑特性，所以OAM对物体的相位或振幅的梯度变化是非常敏感的。因此，携带物体信息的OAM谱可以用来识别甚至重构目标物体。然而，DSI需要探测照射目标物后的光子，才能间接触发成像。

发明内容

本发明的目的是提供一种量子螺旋成像系统，不需要探测照射目标物后的光子，只需探测未照射物体的携带不同轨道角动量的信号光子的相干性即可实现对物体的稀疏感知。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种量子螺旋成像系统，包括第一分束器、第一非线性晶体、第二分束器、第一耦合器、第一单模光纤、第一光纤偏振控制器、第一准直器、第二非线性晶体、第三分束器、模式选择器、第二耦合器、第二单模光纤、第二光纤偏振控制器、第二准直器、第四分束器、电动平移台、单光子探测器和数据采集卡；

第一分束器用于将泵浦光分成第一光路和第二光路；

所述第一非线性晶体位于所述第一光路上；所述第一非线性晶体用于使所述第一光路发生自发参量下转换，将所述第一光路的泵浦光子分裂成第一信号光子和第一闲置光子；

所述第二分束器位于所述第一光路上；所述第二分束器用于将所述第一光路分裂的所述第一信号光子和所述第一闲置光子分成第三光路和第四光路，所述第三光路为所述第一信号光子，所述第四光路为所述第一闲置光子；

所述第一耦合器位于所述第三光路上；所述第一耦合器用于对所述第三光路进行耦合；

所述第一单模光纤的一端与所述第一耦合器连接，且所述第一单模光纤缠绕在所述第一光纤偏振控制器上；

所述第一准直器与所述第一单模光纤的另一端连接；

目标物体位于所述第四光路上；

所述第二非线性晶体位于所述第二光路上；所述第二非线性晶体用于使所述第二光路发生自发参量下转换，将所述第二光路的泵浦光子分裂成第二信号光子和第二闲置光子；

所述第三分束器位于所述第二光路上；所述第三分束器用于将所述第二光路分裂的所述第二信号光子和所述第二闲置光子分成第五光路和第六光路，所述第五光路为所述第二信号光子，所述第六光路为所述第二闲置光子；

所述模式选择器位于所述第五光路上；所述模式选择器用于将所述第五光路的模式转换成基模高斯光束；

所述第二耦合器位于所述第五光路上；所述第二耦合器用于对转换后的所述第五光路进行耦合；

所述第二单模光纤的一端与所述第二耦合器连接，且所述第二单模光纤缠绕在所述第二光纤偏振控制器上；

所述第二准直器与所述第二单模光纤的另一端连接；

所述第四分束器位于经过所述第二准直器的所述第五光路和经过所述第一准直器的所述第三光路的交接处；所述第四分束器用于将所述第五光路和所述第三光路射出的光子分成第七光路和第八光路；

所述电动平移台与所述第四分束器连接；

所述单光子探测器位于所述第七光路上；

所述数据采集卡与所述单光子探测器电连接；所述数据采集卡用于采集所述第七光路上的光子数。

可选的，所述量子螺旋成像系统还包括：第一双透镜成像系统和第二双透镜成像系统；

所述第一双透镜成像系统包括：第一透镜和第二透镜；

所述第一透镜设置于所述第一分束器和所述第二非线性晶体之间，所述第二透镜设置于所述第一透镜和所述第二非线性晶体之间；

第一双透镜成像系统用于使入射到第一非线性晶体和第二非线性晶体的泵浦光束腰大小相同；

所述第二双透镜成像系统包括：第三透镜和第四透镜；

所述第三透镜设置于所述第一非线性晶体和所述第二分束器之间，所述第四透镜设置于所述目标物体和所述第二非线性晶体之间；

第二双透镜成像系统用于使所述第一非线性晶体成像到所述第二非线性晶体上。

可选的，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜和所述第四透镜的焦距相同；

所述第一分束器中心到所述第一透镜中心之间的距离和所述第二透镜中心到所述第二非线性晶体中心之间的距离均与所述焦距相同，所述第一透镜中心到所述第二透镜中心之间的距离与两倍所述焦距相同；

所述第一分束器中心到所述第三透镜中心之间的距离和所述第四透镜中心到所述第二非线性晶体中心之间的距离均与所述焦距相同，所述第三透镜中心到所述第四透镜中心之间的距离与两倍所述焦距相同。

可选的，所述量子螺旋成像系统还包括：反射镜；所述反射镜设置于所述第二光路上，且位于所述第一透镜和所述第二透镜之间；

所述反射镜用于对所述第二光路进行反射，使所述第二光路入射到所述第二非线性晶体上。

可选的，所述量子螺旋成像系统还包括：二向色镜；所述二向色镜设置于所述第四光路上，且位于所述第二透镜和所述第二非线性晶体之间；

所述二向色镜用于反射所述第四光路的所述第一闲置光子，使所述第四光路入射到所述第二非线性晶体上；所述二向色镜还用于透射所述第二光路，使所述第二光路入射到所述第二非线性晶体上。

可选的，所述量子螺旋成像系统还包括：第一滤波片，所述第一滤波片设置于所述第一非线性晶体和所述第三透镜之间。

可选的，所述量子螺旋成像系统还包括：第二滤波片，所述第二滤波片设置于所述第二非线性晶体和所述第三分束器之间。

可选的，所述模式选择器为空间光调制器或数字微镜器件。

可选的，所述电动平移台在微米量级的范围内沿所述第七光路或所述第八光路的方向移动。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供一种量子螺旋成像系统，该量子螺旋成像系统包括第一非线性晶体和第二非线性晶体，参与自发参量下转换的第一非线性晶体和第二非线性晶体产生双光子对，双光子对包括闲置光子(idler)和信号光子(signal)，当第一非线性晶体中的第一闲置光子(I1)与第二非线性晶体中的第二闲置光子(I2)完全重合时，来自第一非线性晶体的第一信号光子(S1)和第二非线性晶体的第二信号光子(S2)会产生相干性；而当I1和I2重合度减小直至不重合时，S1和S2的相干性会降低直至消失；同时当I1和I2携带的OAM相同时，S1和S2具有相干性，反之S1和S2不具有相干性。在I1和I2重合之前先用I1照射物体，则S1和S2不同OAM成分之间的相干性变化会体现出物体的对称性；所以不需要探测照射物体的闲置光子I1或I2，只需探测未照射物体的携带不同OAM的S1、S2的相干性即可实现对物体对称性的探测，即实现对物体的稀疏感知。该量子螺旋成像系统只需要一个单光子探测器即可，比使用电荷耦合器件相机的目标识别方式更加高效，成本更低，同时比基于双光子OAM关联的DSI也少使用一个探测器。该量子螺旋成像系统还可以扩展到太赫兹或微波领域，即I1、I2可以是太赫兹波(或者微波)，S1、S2为可见光波段的光子；使用太赫兹波(或者微波)照射物体，同时使用可见光波段光子成像，可以解决单光子量级的太赫兹(或者微波)波段探测器价格昂贵、性能差的缺点。

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一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，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1所提供的量子螺旋成像系统的结构图；

图2为本发明实施例2所提供的量子螺旋成像方法的流程图。

其中，1、第一分束器；2、第一非线性晶体；3、第二分束器；4、第一耦合器；5、第一单模光纤；6、第一光纤偏振控制器；7、第一准直器；8、第二非线性晶体；9、第三分束器；10、模式选择器；11、第二耦合器；12、第二单模光纤；13、第二光纤偏振控制器；14、第二准直器；15、第四分束器；16、电动平移台；17、单光子探测器；18、数据采集卡；19、第一透镜；20、第二透镜；21、第三透镜；22、第四透镜；23、反射镜；24、目标物体；25、二向色镜；26、第一滤波片；27、第二滤波片；28、第五透镜；a、第一光路；b、第二光路；c、第三光路；d、第四光路；e、第五光路；f、第六光路；g、第七光路；h、第八光路。

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。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

本实施例提供一种量子螺旋成像系统，图1为本发明实施例1所提供的量子螺旋成像系统的结构图。参见图1，该量子螺旋成像系统包括：第一分束器1、第一非线性晶体2、第二分束器3、第一耦合器4、第一单模光纤5、第一光纤偏振控制器6、第一准直器7、第二非线性晶体8、第三分束器9、模式选择器10、第二耦合器11、第二单模光纤12、第二光纤偏振控制器13、第二准直器14、第四分束器15、电动平移台16、单光子探测器17和数据采集卡18。

第一分束器1用于将泵浦光分成第一光路a和第二光路b。第一分束器1采用50:50分束器。泵浦光采用水平偏振的基模高斯光束(Gaussian beam laser)。

第一非线性晶体2位于第一光路a上；第一非线性晶体2用于使第一光路a发生自发参量下转换(spontaneous parametric down conversion，SPDC)，将第一光路a的泵浦光包含的两个参量光子，即第一信号光子(S1)和第一闲置光子(I1)分裂开。第一非线性晶体2分裂泵浦光的原理为：泵浦光入射进入第一非线性晶体2，在满足能量守恒和动量守恒的前提下，一个泵浦光子会“劈裂”成两个参量光子产生双光子对(two-photonpair)，双光子对包括闲置光子(idler，I)和信号光子(signal，S)，第一非线性晶体2产生的双光子对为第一信号光子(S1)和第一闲置光子(I1)。

第二分束器3位于第一光路a上；第二分束器3用于将第一光路a分裂的两个参量光子分成第三光路c和第四光路d，第三光路c为第一信号光子(S1)，第四光路d为第一闲置光子(I1)。

第一耦合器4位于第三光路c上；第一耦合器4用于对第三光路c进行耦合。

第一单模光纤5的一端与第一耦合器4连接，且第一单模光纤5缠绕在第一光纤偏振控制器6上。

第一光纤偏振控制器6具有三个圆环，可以将第一单模光纤5缠绕在第一光纤偏振控制器6的三个圆环上，第一光纤偏振控制器6可用来调节第一单模光纤5内光子的偏振态。

第一准直器7与第一单模光纤5的另一端连接。

目标物体24位于第四光路d上。

第二非线性晶体8位于第二光路b上；第二非线性晶体8用于使第二光路b发生自发参量下转换(spontaneous parametric down conversion，SPDC)，将第二光路b的泵浦光包含的两个参量光子，即第二信号光子(S2)和第二闲置光子(I2)分裂开。第二非线性晶体8分裂泵浦光的原理为：泵浦光入射进入第二非线性晶体8，在满足能量守恒和动量守恒的前提下，一个泵浦光子会“劈裂”成两个参量光子产生双光子对(two-photonpair)，双光子对包括闲置光子(idler，I)和信号光子(signal，S)，第二非线性晶体8产生的双光子对为第二信号光子(S2)和第二闲置光子(I2)。

参与自发参量下转换的第一非线性晶体和第二非线性晶体产生双光子对，双光子对包括闲置光子(idler)和信号光子(signal)，当第一非线性晶体中的第一闲置光子(I1)与第二非线性晶体中的第二闲置光子(I2)完全重合时，来自第一非线性晶体的第一信号光子(S1)和第二非线性晶体的第二信号光子(S2)会产生相干性；而当I1和I2重合度减小直至不重合时，S1和S2的相干性会降低直至消失；同时当I1和I2携带的OAM相同时，S1和S2具有相干性，反之S1和S2不具有相干性。在I1和I2重合之前先用I1照射物体，则S1和S2不同OAM成分之间的相干性变化会体现出物体的对称性；所以不需要探测照射物体的闲置光子I1或I2，只需探测未照射物体的携带不同OAM的S1、S2的相干性即可实现对物体对称性的探测，即实现对物体的稀疏感知，进而对物体进行成像。

第三分束器9位于第二光路b上；第三分束器9用于将第二光路b分裂的两个参量光子分成第五光路e和第六光路f，第五光路e为第二信号光子(S2)，第六光路f为第二闲置光子(I2)。

第二分束器3、第三分束器9均与第一分束器1不同。

模式选择器10位于第五光路e上。模式选择器10用于将第五光路e的模式转换成基模高斯光束，模式选择器10可以将需要的S2的模式转换成基模高斯光束。

模式选择器10可以采用具有将需要的S2的模式转换成基模高斯光束功能的：空间光调制器(SLM)、Q板(q-plate)、螺旋相位板、超表面材料、数字微镜器件(DMD)等。Q板(q-plate)为一种可以产生或转换涡旋光的光学器件，涡旋光为携带OAM的光，q-plate的材料一般有液晶、聚合物、亚波长光栅等。

第二耦合器11位于第五光路e上；第二耦合器11用于对转换后的第五光路e进行耦合。

第二单模光纤12的一端与第二耦合器11连接，且第二单模光纤12缠绕在第二光纤偏振控制器13上。

第二光纤偏振控制器13具有三个圆环，可以将第二单模光纤12缠绕在第二光纤偏振控制器13的三个圆环上，第二光纤偏振控制器13可用来调节第二单模光纤12内光子的偏振态。

第二准直器14与第二单模光纤12的另一端连接。

第一光纤偏振控制器6和第二光纤偏振控制器13使得第一准直器7输出的第一信号光子S1和第二准直器14输出的第二信号光子S2的偏振态相同。

第四分束器15位于经过第二准直器14的第五光路e和经过第一准直器7的第三光路c的交接处。第四分束器15采用50:50分束器，第四分束器15用于将第五光路e和第三光路c射出的光子分成第七光路g和第八光路h，即S1被第四分束器15分成第七光路g、第八光路h，S2也被第四分束器15分成第七光路g、第八光路h，S1和S2在第七光路g或第八光路h是重合的。

电动平移台16与第四分束器15连接，电动平移台16位于第四分束器15下方。电动平移台16可以在微米(um)量级的小范围内带动第四分束器15，沿第七光路g或第八光路h的方向步进移动，即沿图1中双向箭头的方向步进移动。

单光子探测器17位于第七光路g上，单光子探测器17可以对单个光子进行探测和计数。该量子螺旋成像系统只需要一个单光子探测器，比使用电荷耦合器件相机的目标识别方式更加高效，成本更低，同时比基于双光子OAM关联的DSI也少使用一个探测器。

数据采集卡18与单光子探测器17电连接；数据采集卡18用于采集第七光路g上的光子数变化量。

量子螺旋成像系统还包括：第一双透镜成像系统和第二双透镜成像系统。

第一双透镜成像系统包括：第一透镜19和第二透镜20。

第一透镜19设置于第一分束器1和第二非线性晶体8之间，第二透镜20设置于第一透镜19和第二非线性晶体8之间。

第一双透镜成像系统用于使入射到第一非线性晶体2和第二非线性晶体8的泵浦光束腰大小相同。

第二双透镜成像系统包括：第三透镜21和第四透镜22。

第三透镜21设置于第一非线性晶体2和第二分束器3之间，第四透镜22设置于目标物体24和第二非线性晶体8之间。

第二双透镜成像系统用于使第一非线性晶体2成像到第二非线性晶体8上。

第一透镜19、第二透镜20、第三透镜21和第四透镜22的焦距相同。第一分束器1中心到第一透镜19中心之间的距离和第二透镜20中心到第二非线性晶体8中心之间的距离均与焦距相同，第一透镜19中心到第二透镜20中心之间的距离与两倍焦距相同。

第一分束器1中心到第三透镜21中心之间的距离和第四透镜22中心到第二非线性晶体8中心之间的距离均与焦距相同，第三透镜21中心到第四透镜22中心之间的距离与两倍焦距相同。目标物体24优选放在第三透镜21、第四透镜22的共焦面上。

量子螺旋成像系统还包括：反射镜23；反射镜23设置于第二光路b上，且位于第一透镜19和第二透镜20之间。

反射镜23用于对第二光路b进行反射，使第二光路b入射到第二非线性晶体8上。

量子螺旋成像系统还包括：二向色镜25。二向色镜25设置于第四光路上，且位于第二透镜20和第二非线性晶体8之间。二向色镜25用于反射第四光路d的第一闲置光子，使第四光路d入射到第二非线性晶体8上，二向色镜25还用于透射第二光路b，使第二光路b的泵浦光入射到第二非线性晶体8上；同时还可以调节I1与I2，使第四光路d的I1与第二非线性晶体8产生的I2完全重合，并被第三分束器9反射进入第六光路f。

为保证S1、S2的相干性最好，需要满足两个等光程要求：第一，要求第一分束器1到反射镜23的距离与反射镜23到二向色镜25的距离之和，等于第一分束器1到第二分束器3的距离与第二分束器3到二向色镜25的距离之和；第二，要求第二分束器3到二向色镜25的距离与二向色镜25到第三分束器9的距离，以及第三分束器9出射的第五光路e经第二单模光纤12到第四分束器15的距离之和等于第二分束器3出射的第三光路c经第一单模光纤5到第四分束器15的距离。

量子螺旋成像系统还包括：第一滤波片26，第一滤波片26设置于第一非线性晶体2和第三透镜21之间。第一滤波片26的作用是滤除经过第一非线性晶体2后第一光路a中的泵浦光。

量子螺旋成像系统还包括：第二滤波片27，第二滤波片27设置于第二非线性晶体8和第三分束器9之间。第二滤波片27的作用是滤除经过第二非线性晶体8后第二光路b中的泵浦光。

量子螺旋成像系统还包括：第五透镜28，第五透镜28的焦距与第一透镜19、第二透镜20、第三透镜21、第四透镜22的焦距相同，第五透镜28设置于第二滤波片27和第三分束器9之间。第五透镜28用于对经过第五透镜28的光束进行准直。

水平偏振的基模高斯光束作为泵浦光经过第一分束器分成第一光路和第二光路。第一光路的基模高斯光束依次经过第一非线性晶体、第一滤波片和第三透镜入射到第二分束器，第一光路的基模高斯光束在第一非线性晶体内发生自发参量下转换，产生双光子对：第一信号光子和第一闲置光子，第一信号光子经过第二分束器进入第三光路，被第一耦合器耦合后进入第一单模光纤，经第一光纤偏振控制器调节偏振态后，经过第一准直器出射到第四分束器；第一闲置光子经过第二分束器进入第四光路，经过目标物体后，携带物体信息依次经过第四透镜、二向色镜、第二非线性晶体、第二滤波片和第五透镜后入射到第三分束器，经第三分束器反射进入第六光路。

第二光路的基模高斯光束依次经过第一透镜、反射镜、第二透镜、第二非线性晶体、第二滤波片和第五透镜后入射到第三分束器，第二光路的基模高斯光束在第二非线性晶体内发生自发参量下转换，产生双光子对：第二信号光子和第二闲置光子，第二闲置光子与经过第二非线性晶体、第二滤波片和第五透镜入射到第三分束器的携带物体信息的第一闲置光子重合后经过第三分束器进入第六光路；第二信号光子经过第二滤波片和第五透镜通过第三分束器进入第五光路，通过模式选择器将模式转换成基模高斯光束后，被第二耦合器耦合后进入第二单模光纤，经第二光纤偏振控制器调节偏振态后，经过第二准直器出射到第四分束器。

第一信号光子和第二信号光子分别经过第四分束器分成第七光路和第八光路，第一信号光子和第二信号光子在第七光路和第八光路中重合。第七光路上的光子被单光子探测器探测出光子数，与单光子探测器连接的数据采集卡采集当位于第四分束器下方且与第四分束器连接的电动平移台移动时第七光路上的光子数的变化量。

一种量子螺旋成像系统的成像原理为：

在SPDC过程中，OAM量子数是守恒的，即双光子的OAM量子数的和与泵浦光OAM量子数相等，本实施例中使用的泵浦光是基模高斯光束，基模高斯光束的OAM量子数

所以第一非线性晶体、第二非线性晶体产生的双光子的OAM量子数相反。两个SPDC过程产生的双光子态分别为：

其中，|ψ>₁表示第一非线性晶体中第一个SPDC过程产生的双光子态；

表示由第一非线性晶体产生的光子的OAM量子数；

表示具有OAM量子数

的光子所占比重的系数；

表示第三光路上OAM量子数为

的光子的态；

表示第四光路上OAM量子数为

的光子的态。|ψ>₂表示第二非线性晶体中第二个SPDC过程产生的双光子态；

表示由第二非线性晶体产生的光子的OAM量子数；

表示具有OAM量子数

的光子所占比重的系数；

表示第五光路上OAM量子数为

的光子的态；

表示第六光路上OAM量子数为

的光子的态。

I1经过目标物体(object)后，会携带物体信息。则I1的量子态变化过程为：

其中，A表示目标物体，并可以用一个极坐标下的空间变化的振幅或相位函数表示为A(r,φ)，r表示极径，φ表示极角。k表示A作用后的OAM量子数；

表示I1的量子态在A作用下从

到

的变化效率；|-k>_d表示A作用后第四光路上OAM量子数为-k的光子的态；|-k>_f表示A作用后第六光路上OAM量子数为-k的光子的态。

在满足等光程相干叠加的情况下，两个双光子态|ψ>₁和|ψ>₂叠加后可描述为：

其中，|ψ>表示两个双光子态|ψ>₁和|ψ>₂的叠加态；

表示两个双光子态|ψ>₁、|ψ>₂的相位差；C_k表示OAM量子数为k的光子所占的比重；|k>_e表示A作用后第五光路上OAM量子数为k的光子的态或模式；

表示对

k进行求和，且

为公式(2)中的第一个求和号项，

为公式(2)中的第二个求和号项。显然，在公式(2)的第一个求和号项，存在S1、S2的单光子叠加态，在第四分束器上发生单光子干涉；在公式(2)的第二个求和号项，存在双光子叠加态，在第四分束器上无干涉现象，故第二个求和号项可忽略。在S1只收集基模的情况下，即

则公式(2)的第一个求和号项可变为：

其中，|ψ>_coh表示双光子态，即公式(2)的第一个求和号项；A_-k,0表示物体信息；C₀表示基模光子所占比重；|0>_c表示第三光路中的基模光子态；C_k表示OAM量子数为k的光子所占的比重。

公式(3)表明：第三光路中收集的S1的基模，可与第五光路上的携带OAM量子数为k的光子发生一阶干涉，一阶干涉的相干度受A_-k,0影响。通过调整模式选择器，将第五光路的第二信号光子转换成基模高斯光束，转换后的基模高斯光束携带第二信号光子的模式|k>_e信息，转换后的基模高斯光束在第二单模光纤中进行传导，并与第三光路的第一信号光子中的基模光子态|0>_c发生一阶干涉，通过检验基模高斯光束与第三光路的第一信号光子中的基模光子态的相干性，即可得到A_-k,0，进而识别出目标物体。

该量子螺旋成像系统还可以扩展到太赫兹或微波领域，即I1、I2可以是太赫兹波(或者微波)，S1、S2为可见光波段的光子；使用太赫兹波(或者微波)照射物体，同时使用可见光波段光子成像，可以解决单光子量级的太赫兹(或者微波)波段探测器价格昂贵、性能差的缺点。

实施例2

本实施例提供一种量子螺旋成像方法，应用于实施例1的量子螺旋成像系统。图2为本发明实施例2所提供的量子螺旋成像方法的流程图，参见图2，量子螺旋成像方法包括：

步骤201，将目标物体放置于第三透镜和第四透镜的共焦面上。

步骤202，调整模式选择器。

步骤202具体包括，调整模式选择器将第五光路的第二信号光子转换成基模高斯光束，转换后的基模高斯光束携带第二信号光子的模式|k>_e信息，转换后的基模高斯光束在第二单模光纤中进行传导，并与第三光路的第一信号光子中的基模光子态发生一阶干涉。

步骤203，确定干涉曲线。

步骤203具体包括，调整第四分束器下的电动平移台，通过单光子探测器探测光子数随电动平移台移动的变化量，通过数据采集卡采集的光子数变化量并确定变化曲线，即干涉曲线，该干涉曲线中包括模式|k>_e信息。

步骤204，计算干涉对比度。

步骤204具体包括，根据干涉曲线计算干涉对比度。

步骤205，识别目标物体。

步骤205具体包括，根据模式|k>_e下的干涉对比度与物体数据库中的数据进行对比，识别目标物体。物体数据库中的数据包括：与模式|k>_e下的干涉对比度相对应的物体信息。

步骤206，识别失败，则k＝k+1，并执行步骤202。k表示A作用后的OAM量子数。

步骤207，识别成功，量子螺旋成像结束。

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。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种量子螺旋成像系统，其特征在于，包括第一分束器、第一非线性晶体、第二分束器、第一耦合器、第一单模光纤、第一光纤偏振控制器、第一准直器、第二非线性晶体、第三分束器、模式选择器、第二耦合器、第二单模光纤、第二光纤偏振控制器、第二准直器、第四分束器、电动平移台、单光子探测器和数据采集卡；

第一分束器用于将泵浦光分成第一光路和第二光路；

所述第一准直器与所述第一单模光纤的另一端连接；

目标物体位于所述第四光路上；

所述第二准直器与所述第二单模光纤的另一端连接；

所述电动平移台与所述第四分束器连接；

所述单光子探测器位于所述第七光路上；

所述数据采集卡与所述单光子探测器电连接；所述数据采集卡用于采集所述第七光路上的光子数；

所述量子螺旋成像系统还包括：第一双透镜成像系统和二向色镜；

所述第一双透镜成像系统包括：第一透镜和第二透镜；

所述第一双透镜成像系统用于使入射到所述第一非线性晶体和所述第二非线性晶体的泵浦光束腰大小相同；

所述二向色镜设置于所述第四光路上，且位于所述第二透镜和所述第二非线性晶体之间；

2.根据权利要求1所述的量子螺旋成像系统，其特征在于，所述量子螺旋成像系统还包括：第二双透镜成像系统；

所述第二双透镜成像系统包括：第三透镜和第四透镜；

3.根据权利要求2所述的量子螺旋成像系统，其特征在于，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜和所述第四透镜的焦距相同；

4.根据权利要求3所述的量子螺旋成像系统，其特征在于，所述量子螺旋成像系统还包括：反射镜；所述反射镜设置于所述第二光路上，且位于所述第一透镜和所述第二透镜之间；

5.根据权利要求3所述的量子螺旋成像系统，其特征在于，所述量子螺旋成像系统还包括：第一滤波片，所述第一滤波片设置于所述第一非线性晶体和所述第三透镜之间。

6.根据权利要求3所述的量子螺旋成像系统，其特征在于，所述量子螺旋成像系统还包括：第二滤波片，所述第二滤波片设置于所述第二非线性晶体和所述第三分束器之间。

7.根据权利要求1所述的量子螺旋成像系统，其特征在于，所述模式选择器为空间光调制器或数字微镜器件。

8.根据权利要求1所述的量子螺旋成像系统，其特征在于，所述电动平移台在微米量级的范围内沿所述第七光路或所述第八光路的方向移动。