CN110927981A - 一种高均匀性单光子面光源的产生装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高均匀性单光子面光源的产生装置，由以下部件依次连接构成：波长λ重复频率F的脉冲激光器，经光纤连接衰减系数β的光学衰减器；衰减器经光纤连接准直透镜组；透镜组与发散角θ的微透镜对准；面积S的光功率探头与微透镜距离D；改变β，使光功率计的功率P＝FhcS/(10λ)后，固定β；改变F，获得任意激光重频下，距离D的光轴垂直面上±2θ角范围内单位面积上每脉冲0.1光子的高均匀性单光子面光源。本发明的优点在于产生的单光子面光源具有固定发散角，均匀性高，光子速率可灵活调制，覆盖大面积和长工作距离，适用于量子信息、单光子激光成像等领域。

Description

一种高均匀性单光子面光源的产生装置

技术领域

本发明属于光电子信息技术领域，特别涉及一种高均匀性单光子面光源的产生装置。

背景技术

单光子光源特指非连续型单色光源。理想的单光子光源每次输出的光子能量精确等于某一固定波长的单个光子的能量。若每次输出的光子的偏振状态也完全相同，则该单光子光源为相干单光子光源。由于光本质为电磁波，具有波粒二象性，而单光子光源的输出特性能充分反映光子的粒子性和波动性，因此，不同波长的单光子光源在单光子纠缠物理特性研究、量子保密通讯、单光子激光成像等领域具有重要应用。

然而，自然界中，理想的单光子光源并不存在。日光灯、钨灯、半导体LED灯、激光器、热碳棒灯各种类型的光源或电磁波辐射源，其输出光子数目均遵从泊松分布。尽管平均输出光强可以保持相同，但在统计上呈现泊松分布式涨落。在实际科学实验中，现有的用以产生单光子光源的技术方案包括：采用半导体量子点的二能级辐射跃迁产生相干单光子发射(中国发明专利ZL201810722562.5、ZL201710719676.X、ZL201610824183.8、ZL201380067398.4)、采用半导体量子阱内的二能级辐射跃迁产生相干单光子发射(中国发明专利ZL 201310410729.1)、采用原子缺陷能级的自发辐射跃迁实现相干单光子发射(中国发明专利申请号CN201811423197.4)、采用量子点受激发光与光子晶体谐振腔腔模耦合实现单光子发射(中国发明专利ZL200510025274)。这些单光子光源的产生方法从原理上来说均具有可行性，但是在实际的应用中，仍存在诸多不足。如符合理论条件的量子结构或光子晶体结构制造存在困难，发射光子重复频率低、系统结构复杂、发射光子方向不一致、可靠性低，限制了其在真实的量子通讯、单光子成像等系统中进行实际应用。

在实际应用中，通常采用单色激光衰减的形式模拟单光子辐射特性。依据应用场景的不同，单光子光源的输出形式通常要求为光纤输出、自由空间准直输出或自由空间大面积均匀输出三种形式。如在量子保密通讯领域，长距离通讯通常采用光纤输出或自由空间准直输出，而近距离亦可采用大面积均匀输出。在单光子成像测试领域，为模拟目标回波的单光子特性，通常需要采用泛光照明式的大面积均匀性单光子输出。对于光纤输出型模拟单光子光源，基于光纤激光器技术实现上相对容易。而对于在远距离上覆盖大面积的高均匀单光子面光源，其产生和标定一直是一个难题。尤其是在实际应用中，通常还要求单光子面光源具有能在任意工作距离上、不同单位面积上实现模拟单光子输出特性，且要求光子调制速率灵活可调。该类模拟单光子面光源的产生及标定均尚无可靠方法，需要创新研究。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可靠地产生高均匀性单光子面光源的方法。

为解决上述问题，本发明公开了一种高均匀性单光子面光源的产生装置，其结构部件包括：脉冲激光器1；光纤一2；光学衰减器3；光纤二4；准直透镜组5；微透镜阵列6；光功率探头7；光功率计8，见附图1。以上部件按照如下顺序连接：脉冲激光器1输出激光通过光纤一2连接至光学衰减器3的输入端；光学衰减器的输出端通过光纤二4连接至准直透镜组5的输入端；准直透镜组的输出光准直照射到微透镜6上，经微透镜6出射。

进一步地，所述单光子面光源产生装置的脉冲激光器1为单色激光，波长λ≥200nm，重复频率F≥1Hz，每脉冲激光能量涨落＜±1％。

进一步地，所述单光子面光源产生装置的光学衰减器3，透过波长≥200nm，衰减系数β≥-80dB，调节精度≤0.01dB。

进一步地，所述单光子面光源产生装置的准直透镜组5，透射波长≥200nm，输出光束发射角≤0.1°，束腰直径≥0.5mm。

进一步地，所述单光子面光源产生装置的微透镜阵列6，工作波长≥200nm，水平及垂直发散角θ＜90°，发散角内平均能量≥峰值能量的90％。

进一步地，所述单光子面光源产生装置的光功率探头7及光功率计8，探测波长≥200nm，功率分辨率≤10pW，探头面积S≥0.5mm²，探头距微透镜D≥10mm。

进一步地，所述单光子面光源产生装置的光纤一2和光纤二4，透射波长≥200nm。

通过上述装置，可在与微透镜距离为D且与光轴垂直的平面上水平及垂直±2θ角范围内，不同单位面积上产生每脉冲能量为0.1光子的高均匀性单光子面光源。

上述一种高均匀性单光子面光源的产生装置的操作方法及原理如下：

1)将光功率计和光功率计探头校准；

2)将光功率探头置于与微透镜距离为D且与微透镜出射中心光轴垂直的平面上，并且探头光学窗口处于相对于微透镜中心水平及垂直±2θ角范围内，探头光学窗口与该平面平行；

3)设置脉冲激光器的重复频率为F，设置光学衰减器的衰减系数β为0dB，光功率计探头探测到的平均光功率为P₀；

4)改变光学衰减器的衰减系数β＝β₁，使得平均光功率P满足

5)固定光学衰减器的衰减系数β₁不变，改变脉冲激光器的重复频率为F’。

采用上述装置并依照上述操作方法，即可获得任意激光重复频率F’下，距离为D的光轴垂直面上±2θ角范围内，单位面积上统计意义每脉冲能量为0.1光子的高均匀性单光子面光源。

由于模拟单光子光源的输出仍然遵从泊松分布，因此，理论上，仅当平均每脉冲光子数目≤0.1时，其统计分布才可以被认为是接近理想单光子输出特性的光源。本发明的装置所产生的单光子面光源严格满足该要求。

有益效果

(1)本发明公开的装置所产生的单光子面光源可覆盖大面积和不同发散角，适配各种不同光学应用。本发明所采用的微透镜阵列结构具有光学衍射调控特性，将由准直器出射的强度呈高斯分布的光场变换为在±2θ角发散角内强度均匀分布的光场。同时，由于微透镜阵列出射发散角固定，因此可针对不同应用对单光子面光源覆盖区域的要求，灵活调控微透镜的与目标面光源位置的距离D，适配不同覆盖区域。亦可根据实际应用对单光子面光源光子发散角度的要求，灵活选择不同的微透镜阵列结构，适配不同的光学系统。

(2)本发明所公开的装置产生的单光子面光源频率灵活可调，可适用于不同的应用类型。得益于脉冲激光器的重复频率灵活可调，且可以与外部信号源进行同步触发工作，因此所产生的单光子面光源既可以工作在周期性重复单光子发射状态，又可以工作在任意非连续的外调制发射状态，包括单次发射。

(3)本发明所公开的装置产生的单光子面光源均匀性高。得益于微透镜阵列的精确衍射变换特性，本系统可以精确实现±2θ角范围内，单位面积上光子数目涨落＜10％，满足目标区域内高均匀性光场分布的要求。

(4)本发明所公开的装置可根据应用场景的具体需求，灵活适配从紫外、可见光、短波红外、中红外和远红外的宽光波频段，满足不同波长单光子面光源的应用需求。

附图说明

图1为本发明的高均匀性单光子面光源的产生装置的结构示意图。

图中：

1—脉冲激光器；

2—光纤一；

3—光学衰减器；

4—光纤二

5—准直透镜组；

6—微透镜阵列；

7—光功率探头；

8—光功率计。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，该实施例仅用于说明本发明而不用于限定本发明的范围。此处应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明做各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

本实施例目的是采用本发明公开的高均匀性单光子面光源的产生装置，产生波长为1550nm的单光子面光源，并精确标定为目标距离上100μm×100μm方形区域内每脉冲0.1个光子的光强，以进一步阐述本发明的可行性。

其光学产生装置的结构与附图1一致，具体包括：

①单色脉冲激光器，激光波长λ为1550nm，重复频率F调节范围0Hz–100MHz，每脉冲激光能量为1.2pJ。

②光学衰减器，透过波长1550nm，可调衰减系数范围0至-80dB，调节精度0.01dB。

③准直透镜组，透射波长1550nm，输出光束发射角0.02°，束腰直径5.0mm

④微透镜阵列，工作波长1550nm，水平及垂直发散角θ＝30°，目标角度内平均能量等于峰值能量95％。

⑤光功率计探头，探测波长1550nm，功率分辨率10pW，探头面积S＝0.785mm²，探头距离微透镜距离D＝500mm。

⑥光功率计，探测波长1550nm，功率分辨率10pW。

产生高均匀性单光子面光源的操作步骤如下：

①校准光功率计和光功率计探头；

②将光功率探头置于与微透镜出射中心光轴垂直的平面上，探头光学窗口与该平面平行，探头光学窗口处于相对于微透镜中心水平±60°及垂直±60°角范围内，距离微透镜500mm；

③设置脉冲激光器的重复频率为100MHz，设置光学衰减器的衰减系数β为0dB，此时，光功率计探头测到的平均光功率为300pW；

④设置光学衰减器的衰减系数β为-4.75dB，光功率计显示的平均光功率P为100.48W；

⑤固定光学衰减器的衰减系数β为-4.75dB，改变脉冲激光器的重复频率为F’，0Hz≤F’≤100MHz之间，获得任意激光重复频率F’下，距离为500mm的光轴垂直面上水平±60°及垂直±60°角范围内，每100μm×100μm方形区域内，每脉冲内包含0.1个波长为1550nm的光子的高均匀性单光子面光源。

Claims (7)

1.一种高均匀性单光子面光源的产生装置，其特征在于所述装置由以下部件依次连接构成：脉冲激光器(1)经光纤一(2)连接至光学衰减器(3)，衰减器经光纤二(4)与准直透镜组(5)连接，透镜组与微透镜阵列(6)对准，光功率探头(7)置于微透镜前方，光功率计(8)测量光功率。

2.根据权利要求1所述的一种高均匀性单光子面光源的产生装置，其特征在于：所述脉冲激光器(1)为单色激光，波长λ≥200nm，重复频率F≥1Hz，每脉冲激光能量涨落＜±1％。

3.根据权利要求1所述的一种高均匀性单光子面光源的产生装置，其特征在于：所述光学衰减器(3)，透过波长≥200nm，衰减系数β≥-80dB，调节精度≤0.01dB。

4.根据权利要求1所述的一种高均匀性单光子面光源的产生装置，其特征在于：所述准直透镜组(5)，透射波长≥200nm，输出光束发射角≤0.1°，束腰直径≥0.5mm。

5.根据权利要求1所述的一种高均匀性单光子面光源的产生装置，其特征在于：所述微透镜阵列(6)，工作波长≥200nm，水平及垂直发散角θ＜90°，发散角内平均能量≥峰值能量的90％。

6.根据权利要求1所述的一种高均匀性单光子面光源的产生装置，其特征在于：所述光功率探头(7)与光功率计8)，探测波长≥200nm，功率分辨率≤10pW，探头面积S≥0.5mm²，探头距微透镜D≥10mm。

7.根据权利要求1所述的一种高均匀性单光子面光源的产生装置，其特征在于：所述光纤一(2)和光纤二(4)的透射波长≥200nm。

Images