CN111707363B - 一种基于光子调控与非线性增强技术的光子相机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光子调控与非线性增强技术的光子相机，能够实现在信噪比SNR≤1时对信号光子进行清晰识别，满足了远程探测场景的应用需求。该相机的激光器发出激光进入光子调控单元，光子调控单元对激光中所有光子进行标记后，经过光学发射单元射向目标，经目标反射后具有噪声以及目标图像信息的回波信号光经过大气传输后到达光学接收单元，光学接收单元将回波信号光接收到光子识别单元，光子识别单元在回波信号光中鉴别出所有标记的光子作为信号光传输至非线性放大单元，信号光与泵浦光进行非线性差频后对信号光进行放大，该放大后的信号光被光电探测器接收，并以电信号输出，实现目标的成像。
Description
技术领域
本发明涉及非线性光学技术领域，特别是涉及一种基于光子调控技术与非线性增强技术的光子相机。
背景技术
传统相机对信号的探测是基于“光波动”特性，依靠信号光强积累实现。当系统信噪比SNR≤1时，无法对信号光子进行识别，因此只能工作在SNR>1区域。而相机远程探测要求具备近单光子信号的探测识别能力，由于接收系统的环境噪声在100个光子水平，即SNR＜ 1，因此传统光子相机已经难以实现远程探测的应用需求，因此，目前急需一种能够实现远程探测的光子相机。
发明内容
为了解决传统光子相机无法在系统信噪比SNR≤1时对信号光子进行识别，从而导致其无法应用于远程探测的应用需求的问题，本发明提供了一种基于光子调控与非线性增强技术的光子相机。
本发明的具体技术方案是：
本发明提供一种基于光子调控与非线性增强技术的光子相机，包括激光器、光子调控单元、光学发射单元、光学接收单元、光子识别单元、非线性放大单元以及光电探测器；
激光器发出激光进入光子调控单元，光子调控单元对激光中所有光子进行自旋角动量标记和轨道角动量标记后，经过光学发射单元射向目标，经目标反射后具有噪声以及目标图像信息的回波信号光经过大气传输后到达光学接收单元，光学接收单元将回波信号光接收到光子识别单元，光子识别单元在回波信号光中鉴别出所有具有自旋角动量标记和轨道角动量标记的光子作为信号光传输至非线性放大单元，信号光与非线性放大单元中一束高能量的泵浦光进行非线性差频后，泵浦光的能量转移到所述信号光中对信号光进行放大，最后该放大后的具有目标图像信息的信号光被光电探测器接收，并以电信号输出，实现目标的成像。
进一步地，上述光子调控单元包括自旋角动量产生器和轨道角动量耦合器；自旋角动量产生器用于对激光器产生的光子进行自旋角动量标记，轨道角动量耦合器用于对光子的轨道角动量进行标记。
进一步地，上述自旋角动量产生器为λ/4波片；所述轨道角动量耦合器为各向异性双折射相位板。
进一步地，上述光子识别单元包括自旋角动量鉴别器和轨道角动量鉴别器；自旋角动量鉴别器用于从具有噪声和目标图像信息的回波信号光中提取出包含自旋角动量标记的光子，轨道角动量鉴别器用于从具有噪声和目标图像信息的回波信号光中提取出包含轨道角动量标记的光子。
进一步地，上述自旋角动量鉴别器包括λ/4波片和偏振分束器，且λ/4波片本征轴与偏振分束器本征轴之间的夹角为45°；轨道角动量鉴别器为相位调制器件。
进一步地，所述非线性放大单元包括强泵浦光光源以及非线性晶体；强泵浦光光源产生光强为几十微焦的泵浦光；所述非线性晶体采用BBO晶体(偏硼酸钡晶体)或LBO晶体(三硼酸锂晶体)或CLBO 晶体(三硼酸锂铯晶体)制成。
本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：
当SNR＜1时，信号淹没在噪声中，采用传统基于光强度测量的方式无法有效地识别信号，采用本发明光子相机，利用光子调控技术 (即光子调控单元和光子识别单元)实现强噪声中弱信号的表征，对光子的轨道角动量和自旋角动量进行调控以实现信号光子特殊形态的标记，对于调控光子而言，由于对其光量子形态进行了特征标记，通过对其光量子特征进行匹配识别，可以将调控光子和噪声光子有效分离，同时采用非线性增强技术(即非线性放大单元)对单光子水平弱差信号光子进行放大，在噪声抑制情况下实现对单光子量级微弱信号的有效放大，具有了在系统信噪比SNR≤1时对信号光子进行识别的能力，从而实现了单光子甚至亚光子的探测成像能力，满足了远程探测场景的应用需求。
附图说明
图1本发明结构原理图。
附图标记如下：
1-激光器、2-光子调控单元、21-自旋角动量产生器、22-轨道角动量耦合器、3-光学发射单元、4-光学接收单元、5-光子识别单元、 51-自旋角动量鉴别器、52-轨道角动量鉴别器、6-非线性放大单元、7-光电探测器、8-被测目标。
具体实施方式
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种基于光子调控和非线性增强技术的光子相机作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是：附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的；其次，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。
由于本发明的光子相机是基于光子调控技术和非线性增强技术进行设计的，现对上述两种技术进行简单介绍：
1、光子调控技术通过对光的最基本形态“光子”进行调控、在信号光子发射前需要对其进行特征标记，以区别噪声光子的物理形态。
2、非线性增强技术对单光子水平弱差信号光子进行放大，通过对其光量子特征进行匹配识别，可以将调控光子和噪声光子有效分离。
如图1所示，本实施例提供了一种基于光子调控技术与非线性增强技术的光子相机的具体结构，包括激光器1、光子调控单元2、光学发射单元3、光学接收单元4、光子识别单元5、非线性放大单元6 以及光电探测器7；
激光器1发出激光进入光子调控单元2，光子调控单元2包括自旋角动量产生器21和轨道角动量耦合器22；自旋角动量产生器21 用于对激光器1产生的光子进行自旋角动量标记，轨道角动量耦合器 22用于对激光器1产生光子进行轨道角动量进行标记。其中，自旋角动量产生器21是四分之一波片；轨道角动量耦合器22可以是各向异性双折射相位板，也可以是全息图。
光学发射单元3将采用光子调控单元进行自旋角动量和轨道角标记后的光发射至被测目标8；本实施例中光学发射单元为准直透镜。
光学接收单元4接收由被测目标8反射后具有噪声以及目标图像信息的回波信号光，并将回波信号光传输至光子识别单元；本实施例中光学接收单元为准直透镜。
光子识别单元5在回波信号光中鉴别出所有具有自旋角动量标记和轨道角动量标记的光子作为信号光传输至非线性放大单元；光子识别单元5包括自旋角动量鉴别器51和轨道角动量鉴别器52；自旋角动量鉴别器51用于从具有噪声和目标图像信息的回波信号光中提取出包含自旋角动量标记的光子，轨道角动量鉴别器52用于从具有噪声和目标图像信息的回波信号光中提取出包含轨道角动量标记的光子；
其中，自旋角动量鉴别器51包括λ/4波片和偏振分束器，λ/4波片本征轴与偏振分束器本征轴之间的夹角为45°，其出射光为线偏振光，该线偏振光偏振方向与λ/4波片夹角为+45°或-45°。由于λ/4波片和偏振分束器的本征轴夹角45°，因此出射光只能沿偏振分束器O 或E本征轴出射，其中一路是与自旋角动量调制方向相同的信号光，一路是不包含信号信息的背景光(即噪声光)。
轨道角动量鉴别器52为相位调制器件，利用回波信号光中具有噪声和目标图像信息的光斑分布不同，剔除与调控光子轨道角动量不同的大量背景噪声。
非线性放大单元6包括强泵浦光光源以及非线性晶体；本实施例中，强泵浦光光源采用光强度一般可以是几十微焦的泵浦激光器；非线性晶体采用BBO晶体(偏硼酸钡晶体)或LBO晶体(三硼酸锂晶体)或CLBO晶体(三硼酸锂铯晶体)；利用非线性晶体的二阶非线性极化效应，将强泵浦光的能量转移到信号光中，同时还产生另一频率的闲频光。其具体过程为一非线性差频过程，即频率为ωp的强泵浦光与频率为ωs(ωs＜ωp)的弱信号光同时入射到非线性晶体内，当两入射光在时间和空间上重合时，由于二阶非线性极化的存在，在非线性晶体内将产生一个频率为ωi＝ωp-ωs的差频闲频光，其振幅正比于泵浦光与信号光振幅的乘积。同时，三波混频作用将光能量从泵浦光转移到信号光，信号光被放大。由于初始时泵浦光强度远大于信号光和闲频光强度，随着光波在非线性晶体中的传播，上述非线性差频过程持续进行。这样，泵浦光的能量就不断地耦合到信号光和闲频光中去，从而形成光参量放大；
放大后的具有目标图像信息的信号光被光电探测器接收，并以电信号输出，实现目标的成像。
最后所应说明的是，上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于光子调控与非线性增强技术的光子相机，其特征在于：包括激光器、光子调控单元、光学发射单元、光学接收单元、光子识别单元、非线性放大单元以及光电探测器；
激光器发出激光进入光子调控单元，光子调控单元对激光中所有光子进行自旋角动量标记和轨道角动量标记后，经过光学发射单元射向目标，经目标反射后具有噪声以及目标图像信息的回波信号光经过大气传输后到达光学接收单元，光学接收单元将回波信号光接收到光子识别单元，光子识别单元在回波信号光中鉴别出所有具有自旋角动量标记和轨道角动量标记的光子作为信号光传输至非线性放大单元，信号光与非线性放大单元中一束高能量的泵浦光进行非线性差频后，泵浦光的能量转移到所述信号光中对信号光进行放大，最后该放大后的具有目标图像信息的信号光被光电探测器接收，并以电信号输出，实现目标的成像。
2.根据权利要求1所述的基于光子调控与非线性增强技术的光子相机，其特征在于：所述光子调控单元包括自旋角动量产生器和轨道角动量耦合器；自旋角动量产生器用于对激光器产生的光子进行自旋角动量标记，轨道角动量耦合器用于对光子的轨道角动量进行标记。
3.根据权利要求2所述的基于光子调控与非线性增强技术的光子相机，其特征在于：所述自旋角动量产生器为λ/4波片；所述轨道角动量耦合器为各向异性双折射相位板或全息图。
4.根据权利要求1所述的基于光子调控与非线性增强技术的光子相机，其特征在于：所述光子识别单元包括自旋角动量鉴别器和轨道角动量鉴别器；自旋角动量鉴别器用于从具有噪声和目标图像信息的回波信号光中提取出包含自旋角动量标记的光子，轨道角动量鉴别器用于从具有噪声和目标图像信息的回波信号光中提取出包含轨道角动量标记的光子。
5.根据权利要求4所述的基于光子调控与非线性增强技术的光子相机，其特征在于：所述自旋角动量鉴别器包括λ/4波片和偏振分束器，且λ/4波片本征轴与偏振分束器本征轴之间的夹角为45°；轨道角动量鉴别器为相位调制器件。
6.根据权利要求1所述的基于光子调控与非线性增强技术的光子相机，其特征在于：所述非线性放大单元包括强泵浦光光源以及非线性晶体；强泵浦光光源产生光强为几十微焦的泵浦光；所述非线性晶体采用偏硼酸钡晶体或三硼酸锂晶体或三硼酸锂铯晶体制成。
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