CN110426129B - 一种基于光子干涉测量不同光场互相关的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光子干涉，具体为一种基于光子干涉测量不同光场互相关的装置及方法。本发明解决了目前区分混沌光、相干光以及强度起伏的相干光较为困难的问题。具体方案主要包括如下步骤：混沌激光、相干光、宽带噪声光场分别进入光纤隔离器，光纤隔离器确保形成的光单向传输；三种光场随后进入由光纤及自由空间耦合组成的非平衡迈克尔逊干涉仪进行光子干涉；采集单光子探测器中两个输出端口的光子数，统计光子到达时间差的分布，根据得到的不同的干涉二阶互相关曲线，从而可以区分不同光场的光子互相关特性。本发明所述的方法可以高效的区分混沌光、相干光及强度起伏的相干光，实验装置测量精度高，区分效果明显。
Description
技术领域
本发明涉及光子干涉，具体为一种基于光子干涉测量不同光场互相关的装置及方法。
背景技术
在量子力学中，受激发射阈值以上的激光器腔内的光场被定义为相干光，而在阈值以下，场是非相干的或混沌的，是由许多自发发射点随机产生的波叠加而成。目前应用较多的光反馈形成的混沌激光都工作在阈值以上，但是在强度输出上表现出随机振荡的特性，这一点与通常的混沌光强度随机振荡相似。由于之前的光反馈混沌激光的二阶、三阶以及四阶相干度属于强度自相关的测量，只表示光场强度的涨落程度，因此，混沌光和振幅调制的相干光可能具有类似的一阶和二阶相关函数。只测量光场的自相关二阶关联并不能得到光反馈混沌光场相位的更多信息。对应于光子干涉互相关测量的非平衡迈克尔逊干涉仪的两个输出端口之间的二阶强度互相关，对入射光束的振幅和相位波动都异常敏感。现有技术中，混沌光和强度起伏的相干光无法通过二阶自相关进行明确区分，同时混沌光、相干光及强度起伏的相干光相位信息及其稳定性无法测量评定，实验装置稳定性差，同时构建不同光场相位测量操作过程较为复杂。
发明内容
本发明为了可以更高效的区分混沌光、相干光及强度起伏的相干光，提出了一种利用光子干涉来明确区分不同光场的光子互相关特性的装置及方法。
本发明是采用如下技术方案实现的：一种基于光子干涉测量不同光场互相关的装置，包括用于输入不同光场的光纤隔离器、第二光环形器、第一、第二单光子探测器以及非平衡迈克尔逊干涉仪；光纤隔离器的出射端通过光纤连接有第二光环形器的入射端；所述非平衡迈克尔逊干涉仪包括50：50光学分束器；50：50光学分束器的第一入射端口与第二光环形器的反射端通过光纤连接，50：50光学分束器的第一出射端口通过光纤顺次连接有可编程光衰减器和第一光纤耦合头，第一光纤耦合头的出射端设有第一全反射镜；50：50光学分束器的第二出射端口通过光纤顺次连接有光放大器、光纤延迟线和第二光纤耦合头，第二光纤耦合头的出射端设置有第二全反射镜；还包括压电陶瓷、与压电陶瓷电连接的高压放大器以及与高压放大器相连接的信号发生器；所述压电陶瓷安装在第二全反射镜的背面；第二光环形器的出射端通过光纤与第一单光子探测器相连接，50：50光学分束器的第二入射端口通过光纤与第二单光子探测器相连接。
测量时，需要将不同的光场分别输入至非平衡迈克尔逊干涉仪，由非平衡迈克尔逊干涉仪对光信号进行处理，通过第一、第二单光子探测器将采集到的光子数经过数据处理，可以得到三种光场不同的干涉二阶互相关曲线，从而可以区分不同光场的光子互相关特性。
进一步的，所述不同光场包括相干光产生装置、宽带噪声光场产生装置以及混沌激光产生装置。
本发明所述的一种基于光子干涉测量不同光场互相关的方法，包括如下步骤：(一)将三种不同光场分别输入光纤隔离器，之后三种不同的光均通过光环形器进入由光纤及自由空间耦合组成的非平衡迈克尔逊干涉仪；
进入干涉仪的光通过50：50光学分束器分成两束，一束经过可编程光衰减器以及第一光纤耦合头的转换，形成自由空间光，之后再由第一全反射镜反射回光路中；信号发生器产生方形波后经过高压放大器将波形放大，通过压电陶瓷耦合进第二全反射镜中，同时另一束光经过光放大器、光纤延迟线及第二光纤耦合头产生自由空间光，随后被已经耦合过的第二全反射镜反射回50：50光学分束器中；两束光进行干涉后，分别进入第一、第二单光子探测器中记录产生的光子数，统计光子到达时间差的分布；
(二)、计算被测光的相干时间：测量三种光场的光谱，计算三种光场的3dB带宽Δλ0，通过相干长度公式
及相干时间公式
可以计算出被测光的相干时间及相干长度，非平衡迈克尔逊干涉仪的光纤延迟线长度大于所测光场的相干长度；
(三)、将采集到的光子数进行高阶卷积处理后，可以得到三种光场不同的干涉二阶互相关曲线，从而可以区分不同光场的光子互相关特性；
(四)、理论上混沌光场的干涉二阶互相关曲线特点是：在时间差为0时，二阶互相关强度有一个向下的趋势，并且小于1；在
处分别出现一个峰值；其中d为延迟线长度，c为光速；
理论上稳定的相干光场的干涉二阶互相关曲线特点是：在时间差为0时，干涉二阶互相关曲线有个向下的趋势，并且小于1；
理论上强度起伏的相干光场的干涉二阶互相关曲线特点是：在时间差为0时，干涉二阶互相关曲线有个向下的趋势，并且左右两边分别有两个峰值。
本发明具有如下有益效果
本发明利用光子干涉来明确区分不同光场的光子互相关特性，这一实验装置易于搭建，可以较为简单的实现，测量精度高，区分效果明显，不需要通过判断光的相位是否相同及相位差是否保持恒定来区分混沌光、相干光及强度起伏的相干光。
附图说明
图1是本发明所述实验装置连接示意图：其中实线为光连线，虚线为电连线，带箭头虚线表示为自由空间光；
图2是理论上三种不同光场的干涉二阶互相关曲线；
图3是光反馈混沌激光的光谱图；
图4是混沌激光在d＝30cm非平衡迈克尔逊干涉仪的干涉二阶互相关，空心正方形表示实验数据，实心圆点表示理论拟合；
图5是激光(相干光)在d＝100m非平衡迈克尔逊干涉仪的干涉二阶互相关，实线表示实验数据，虚线表示理论拟合。
图1中：1-第一分布式反馈半导体激光器；2-放大自发辐射光源；3-光纤滤波器；4-第二分布式反馈半导体激光器；5-偏振控制器；6-第一光环形器；7-80：20光学分束器；8-光衰减器；9-光纤隔离器；10-第二光环形器；11-50：50光学分束器；12-可编程光衰减器；13-第一光纤耦合头；14-第一全反射镜；15-光放大器；16-光纤延迟线；17-第二光纤耦合头；18-第二全反射镜；19-压电陶瓷；20-高压放大器；21-信号发生器；22-第一单光子探测器；23-第二单光子探测器。
具体实施方式
一种基于光子干涉测量不同光场互相关的装置及方法，包含如下步骤：(一)、搭建如图1所示实验装置。
第一部分为相干光产生装置。由一台分布式半导体激光器1(LD)产生的激光即为相干光；
第二部分为宽带噪声光场产生装置。由一台放大自发辐射光源2产生宽带噪声光场，随后由光纤滤波器3进行滤波；
第三部分为混沌激光产生装置。混沌光源主要由一台分布式反馈半导体激光器4(LD)利用一个外腔光反馈系统构成。设置偏置电流，使半导体激光器稳定运行在1.5倍阈值电流以上。光纤环路中的偏振控制器5(PC)，用于调整反馈光束的偏振态，使其平行于自由运行的激光器的偏振态,达到最佳的耦合。PC输出的光进入第一光环形器6，第一光环形器另两个端口连接80：20光学分束器7和(可调)光衰减器8(VOA)。调节VOA控制反馈光的强度，可以形成宽带的混沌激光。
随后，产生的三种不同光场均进入光纤隔离器9(ISO)。光纤隔离器用以确保形成的光单向传输，避免后续器件的镜面反射光对激光器造成干扰。之后三种不同的光均通过第二光环形器10分别进入由光纤及自由空间耦合组成的非平衡迈克尔逊干涉仪。
第四部分为光纤及自由空间耦合组成的非平衡迈克尔逊干涉仪的搭建。非平衡是由于在干涉仪的一臂引入了光纤延迟线，而且延迟线的长度随入射光的相干长度动态可调。进入干涉仪的光通过50：50光学分束器11分成两束。一束经过可编程光衰减器12(VOA)以及第一光纤耦合头13的转换，形成自由空间光，之后再由第一全反射镜14反射回光路中；信号发生器21产生方形波后经过高压放大器20将波形放大，通过压电陶瓷19(PZT压电陶瓷)耦合进全反射镜18中，同时另一束光经过光放大器15、光纤延迟线16及第二光纤耦合头17产生自由空间光，随后被已经耦合过的第二全反射镜18反射回50：50光学分束器11中。两束光进行干涉后，分别进入第一、第二单光子探测器22、23中记录产生的光子数，统计光子到达时间差的分布。
(二)、计算被测光的相干时间，以混沌激光和相干光为例，需要测量输出激光和光反馈混沌激光的光谱(在三种激光器的出射端通过光谱仪进行测量)。计算激光和光反馈混沌激光的3dB带宽Δλ0，通过相干长度公式
(λ为出射激光中心波长)及相干时间公式
可以计算出被测光的相干时间及相干长度，从而可以决定实验上迈克尔逊干涉仪的延迟线长度。从图3中可以得出混沌激光的3dB线宽为Δλ0＝0.034nm,通过计算可以得出相干时间约为0.236ns，相干长度为7.07cm。为了使迈克尔逊干涉仪的延迟线长度远大于混沌光的相干长度，对于混沌激光的干涉，实验上采用d＝30cm的延迟线已经足够，这远远大于混沌激光的相干长度。
(三)、将采集到单位时间内的光子计数，两路光子数进行延迟相互关联测量，对光子互相关结果进行高阶卷积处理，得到三种光场不同的干涉二阶互关联结果，从而可以区分不同光场的光子互相关特性。实验中分别从第一、第二单光子探测器采集得到两组计数，之后将这两组计数在不同分辨时间内，进行互相关计数测量。得到的结果其中一列表示时间，另一列表示两列光子数的互相关结果，之后将互相关结果进行高阶卷积(如九次卷积)得到最终的干涉二阶互相关曲线。
(四)、理论上混沌光场的干涉二阶互相关曲线特点是：在时间差为0时，二阶互相关强度有一个向下的趋势，并且小于1；在
处分别出现一个峰值。其中d为延迟线长度，c为光速。
理论上稳定的相干光场的干涉二阶互相关曲线特点是：在时间差为0时，干涉二阶互相关曲线有个向下的趋势，并且小于1。
理论上强度起伏的相干光场的干涉二阶互相关曲线特点是：在时间差为0时，干涉二阶互相关曲线有个向下的趋势，并且左右两边分别有两个峰值。
由图4、5可以看出，实验获得的曲线与理论值十分吻合，说明本发明所述方法可以有效用于区分不同光场的工作。
Claims (5)
1.一种基于光子干涉测量不同光场互相关的装置，其特征在于：包括用于输入不同光场的光纤隔离器(9)、第二光环形器(10)、第一、第二单光子探测器(22、23)以及非平衡迈克尔逊干涉仪；光纤隔离器(9)的出射端通过光纤连接有第二光环形器(10)的入射端；所述非平衡迈克尔逊干涉仪包括50：50光学分束器(11)，50：50光学分束器(11)的第一入射端口与第二光环形器(10)的反射端通过光纤连接，50：50光学分束器(11)的第一出射端口通过光纤顺次连接有可编程光衰减器(12)和第一光纤耦合头(13)，第一光纤耦合头(13)的出射端设有第一全反射镜(14)；50：50光学分束器(11)的第二出射端口通过光纤顺次连接有光放大器(15)、光纤延迟线(16)和第二光纤耦合头(17)，第二光纤耦合头(17)的出射端设置有第二全反射镜(18)；还包括压电陶瓷(19)、与压电陶瓷(19)电连接的高压放大器(20)以及与高压放大器(20)相连接的信号发生器(21)；所述压电陶瓷(19)安装在第二全反射镜(18)的背面；第二光环形器(10)的出射端通过光纤与第一单光子探测器(22)连接，50：50光学分束器(11)的第二入射端口通过光纤与第二单光子探测器(23)相连接。
2.如权利要求1所述的一种基于光子干涉测量不同光场互相关的装置，其特征在于：所述不同光场包括相干光产生装置、宽带噪声光场产生装置以及混沌激光产生装置。
3.如权利要求2所述的一种基于光子干涉测量不同光场互相关的装置，其特征在于：相干光产生装置采用第一分布式反馈半导体激光器(1)；宽带噪声光场产生装置包括放大自发辐射光源(2)以及连接在放大自发辐射光源(2)出射端的光纤滤波器(3)；所述混沌激光产生装置包括第二分布式反馈半导体激光器(4)、通过光纤与第二分布式反馈半导体激光器(4)出射端连接的偏振控制器(5)；偏振控制器(5)的出射端通过光纤连接有第一光环形器(6)的入射端；第一光环形器(6)的出射端连接有80：20光学分束器(7)，80：20光学分束器(7)的第一出射端通过光纤与光纤隔离器(9)的入射端相连接；80：20光学分束器(7)的第二出射端通过光纤连接有光衰减器(8)，光衰减器(8)的出射端通过光纤与第一光环形器(6)的反射端相连接。
4.根据权利要求3所述的一种基于光子干涉测量不同光场互相关的装置及方法，其特征在于：分布式反馈半导体激光器采用LS-1550-SM半导体激光器；放大自发辐射光源(2)采用OS8143-17型放大自发辐射光源；可编程光衰减器(12)采用JW3301型光衰减器；高压放大器(20)采用YG2016A-1000V-2bip HV DC Amp型高压放大器；信号发生器(21)采用3200MHz的HP8648C型射频信号发生器；单光子探测器采用LYNXEA NIR M2型双通道单光子计数器。
5.一种基于光子干涉测量不同光场互相关的方法，采用如权利要求2～4任一项所述的一种基于光子干涉测量不同光场互相关的装置来实现，其特征在于，包括如下步骤：(一)将三种不同光场分别输入光纤隔离器(9)，之后三种不同的光均通过第二光环形器(10)进入由光纤及自由空间耦合组成的非平衡迈克尔逊干涉仪；
进入干涉仪的光通过50：50光学分束器(11)分成两束，一束经过可编程光衰减器(12)以及第一光纤耦合头(13)的转换，形成自由空间光，之后再由第一全反射镜(14)反射回光路中；信号发生器(21)产生方形波后经过高压放大器(20)将波形放大，通过压电陶瓷(19)耦合进第二全反射镜(18)中，同时另一束光经过光放大器(15)、光纤延迟线(16)及第二光纤耦合头(17)产生自由空间光，随后被已经耦合过的第二全反射镜(18)反射回50：50光学分束器(11)中；两束光进行干涉后，分别进入第一、第二单光子探测器(22、23)中记录产生的光子数，统计光子到达时间差的分布；
(二)、计算被测光的相干时间：测量三种光场的光谱，计算三种光场的3dB带宽Δλ0，通过相干长度公式
及相干时间公式
可以计算出被测光的相干时间及相干长度，非平衡迈克尔逊干涉仪的光纤延迟线(16)长度大于所测光场的相干长度；
(三)、将采集到的光子数对数据进行高阶卷积处理后，可以得到三种光场不同的干涉二阶互相关曲线，从而可以区分不同光场的光子互相关特性；
(四)、理论上混沌光场的干涉二阶互相关曲线特点是：在时间差为0时，二阶互相关强度有一个向下的趋势，并且小于1；在
处分别出现一个峰值；其中d为延迟线长度，c为光速；
理论上稳定的相干光场的干涉二阶互相关曲线特点是：在时间差为0时，干涉二阶互相关曲线有个向下的趋势，并且小于1；
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |