CN111896103B - 一种基于多路径量子干涉的信号放大装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多路径量子干涉的信号放大装置及方法，通过将第一高反镜、第二高反镜和迈克尔逊干涉仪设置于同一注入腔室内形成能够使光线多次反射和干涉的迈克尔逊干涉仪循环腔，利用滤波片和双光子吸收探测器获取光信号，其中滤波片滤除能够导致双光子吸收探测器产生单光子探测的波段的光，使单光子探测的量子效率接近于零，提高其双光子吸收探测的效率，本发明结构简单，光信号的二阶关联度以及信噪比增加明显，在微弱信号测量的领域具有重大的作用；解决了无法探测存在于热光场的聚束以及超聚束效应的问题，通过利用双光子吸收这一非线性过程，使探测响应速率达到了飞秒量级，从而实现我们对于日光、真热光源等光源的超聚束效应的研究。
Description
技术领域
本发明属于量子光学与信号探测的领域，特别涉及到一种基于多路径量子干涉的信号放大装置及方法。
背景技术
对于微弱信号的探测，一直以来都是人们研究的重点。无论是对于微弱的地震波的检测，还是对引力波探测等，这些都具有重大的研究与应用价值，它的发展不仅促进了自然科学的发展，也为国民经济和国防建设创造了有利条件，引起重大的革新。然而微弱信号的探测也面临着很多问题，如系统较复杂，严重依赖光电器件的参数等，这很大程度的阻碍了弱光信号的探测。同时随着量子光学的发展，研究人员发现双光子超聚束效应(其二阶关联度大于2)对提高鬼成像对比度和成像质量方面有着重要作用，它吸引了大量的研究人员的关注。但是大部分的研究都是通过非线性相互作用来产生双光子超聚束效应的，除了效率极低，苛刻的实验条件也极大的制约了超聚束光源的应用。同时由于有很多光源(比如最容易获得的日光，或者卤素灯、LED光源等)的聚束效应并不能被直接获得，主要原因是由于它们的相干时间尺度在皮秒乃至飞秒量级导致探测器的响应速度远远跟不上，更不用说去提高其二阶关联度研究超聚束效应，这也极大的阻碍了我们对弱光场信息的获取和真热光超聚束的实验研究与工程应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于多路径量子干涉的信号放大装置及方法，以克服现有技术的不足。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于多路径量子干涉的信号放大装置，包括滤波片、双光子吸收探测器、计算器以及设置于同一注入腔室内的第一高反镜、第二高反镜和迈克尔逊干涉仪，第一高反镜设置于迈克尔逊干涉仪的入射口与迈克尔逊干涉仪的动镜平行，第一高反镜高反面一侧靠近迈克尔逊干涉仪；第二高反镜设置于迈克尔逊干涉仪的出射口与迈克尔逊干涉仪的定镜平行，第二高反镜的高反面一侧靠近迈克尔逊干涉仪；滤波片设置于第二高反镜的另一侧与第二高反镜平行，双光子吸收探测器设置于滤波片一侧用于获取第二高反镜透射光，计算器连接于双光子吸收探测器和迈克尔逊干涉仪的动镜移动控制台。
进一步的，迈克尔逊干涉仪包括非偏振光分束器、第一平面全反射镜和第二平面全反射镜，第一平面全反射镜为定镜，第二平面全反射镜为动镜。
进一步的，第一高反镜设置于迈克尔逊干涉仪入射口且与第二平面全反射镜平行，第一高反镜高反面一侧靠近迈克尔逊干涉仪；第二高反镜设置于迈克尔逊干涉仪出射口且与第一平面全反射镜平行，第二高反镜的高反面一侧靠近迈克尔逊干涉仪；第二平面全反射镜固定于动镜移动控制台上，动镜移动控制台连接于计算器。
进一步的，第一高反镜至非偏振光分束器中心的距离等于第二高反镜至非偏振光分束器中心的距离。
一种多路径量子干涉的信号放大方法，包括以下步骤：
步骤1)、将真热光源通过第一高反镜入射至同一注入腔室内的迈克尔逊干涉仪；
步骤2)、利用滤波片将第二高反镜的透射光进行滤波，利用双光子吸收探测器实时采集滤波后的透射光线，构建透射光线的二阶关联函数，对二阶关联函数进行归一化处理后得到放大后光信号。
进一步的，步骤2)中，对动镜移动控制台的纵向扫描移动，使真热光在迈克尔逊干涉仪两臂传播时时间差为t1-t2，形成双光子干涉。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明一种基于多路径量子干涉的信号放大装置，通过将第一高反镜、第二高反镜和迈克尔逊干涉仪设置于同一注入腔室内形成能够使光线多次反射的迈克尔逊循环循环腔，注入腔中的热光在迈克尔逊干涉仪中多次反射和干涉增加信号的强度，提高了信噪比，利用滤波片和双光子吸收探测器获取透射的光信号，利用滤波片滤除能够导致双光子吸收探测器产生单光子探测的波段的光，使单光子探测的量子效率接近于零，提高其双光子吸收探测的效率，本发明结构简单，光信号的二阶关联度以及信噪比增加明显，在微弱信号测量的领域具有重大的作用；解决了由于自然热光场强度涨落过快而无法探测存在于热光场的聚束以及超聚束效应的问题，通过利用双光子吸收这一非线性过程，使探测响应速率达到了飞秒量级，从而实现我们对于日光、真热光源等光源的超聚束效应的研究。
进一步的，迈克尔逊干涉仪包括非偏振光分束器、第一平面全反射镜和第二平面全反射镜，第一平面全反射镜为定镜，第二平面全反射镜为动镜。
进一步的，第一高反镜设置于迈克尔逊干涉仪入射口且与第二平面全反射镜平行，第一高反镜高反面一侧靠近迈克尔逊干涉仪；第二高反镜设置于迈克尔逊干涉仪出射口且与第一平面全反射镜平行，第二高反镜的高反面一侧靠近迈克尔逊干涉仪；第二平面全反射镜固定于动镜移动控制台上，动镜移动控制台连接于计算器。
一种基于多路径量子干涉的信号放大方法，通过将迈克尔逊干涉仪放在一个腔里面构成迈克尔逊干涉仪循环腔，通过控制品质因子，进而控制光在迈克尔逊干涉仪里面的反射次数来增加信号的信噪比，这能够解决微弱信号难以触发探测装置的难题；同时随着在腔中反射次数的增多进而也可以实现在线性系统中对真热光超聚束效应的控制，解决现在利用非线性手段来产生超聚束效应的光子对生成效率之低以及产生超聚束效应的实验手段之复杂的问题。
附图说明
图1是本发明实施例中信号放大装置结构示意图。
图2是本发明实施例中迈克尔逊干涉仪示意图。
图3是本发明实施例中迈克逊干涉仪循环腔示意图。
图4本发明实施例中当真热光经过N次迈克尔逊干涉仪后，真热光的归一化二阶关联函数随着N的变化的示意图。
图中：1-真热光，2-第一高反镜，3-非偏振光分束器，4-第一平面全反射镜，5-第二平面全反射镜，6-动镜移动控制台，7-第二高反镜，8-滤波片，9-双光子吸收探测器，10-计算器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
本发明为了解决现有幅值过小的微弱信号难以触发探测装置而进行探测的问题，同时也可以解决由于自然热光场强度涨落过快(10-15秒量级)而使用现有的技术手段探测存在于热光场的聚束以及超聚束效应的问题，提出了一种基于多路径量子干涉的信号放大装置及方法。
如图1所示，一种基于多路径量子干涉的信号放大装置，包括滤波片8、双光子吸收探测器9、计算器10以及设置于同一注入腔室内的第一高反镜2、第二高反镜7和迈克尔逊干涉仪，第一高反镜2设置于迈克尔逊干涉仪的入射口与迈克尔逊干涉仪的动镜平行，第一高反镜2高反面一侧靠近迈克尔逊干涉仪；第二高反镜7设置于迈克尔逊干涉仪的出射口与迈克尔逊干涉仪的定镜平行，第二高反镜7的高反面一侧靠近迈克尔逊干涉仪；滤波片8设置于第二高反镜7的另一侧与第二高反镜7平行，双光子吸收探测器9设置于滤波片8一侧用于获取第二高反镜7透射光，计算器10连接于双光子吸收探测器9和迈克尔逊干涉仪的动镜移动控制台6。滤波片8采用高通滤波片。
第一高反镜2和第二高反镜7均是具有极小透射率的反射镜；第一高反镜2高反面一侧以及第二高反镜7的高反面一侧能够实现光线高反射，少量光线能够从第一高反镜2高反面一侧或第二高反镜7的高反面一侧透射穿过第一高反镜2或第二高反镜7；
如图2所示，迈克尔逊干涉仪包括非偏振光分束器3、第一平面全反射镜4和第二平面全反射镜5，第一平面全反射镜4为定镜，第二平面全反射镜5为动镜；第一高反镜2设置于迈克尔逊干涉仪入射口且与第二平面全反射镜5平行，第一高反镜2高反面一侧靠近迈克尔逊干涉仪；第二高反镜7设置于迈克尔逊干涉仪出射口且与第一平面全反射镜4平行，第二高反镜7的高反面一侧靠近迈克尔逊干涉仪；第二平面全反射镜5固定于动镜移动控制台6上，动镜移动控制台6连接于计算器10，计算器10用于获取动镜移动控制台6的移动参数，本申请由非偏振光分束器3、第一平面全反射镜4、第二平面全反射镜5和动镜移动控制台6构成一个可以扫描的迈克尔逊干涉仪；在所构成的迈克尔逊干涉仪外圈设置第一高反镜2和第二高反镜7构成一个迈克尔逊干涉仪循环腔，第一高反镜2和第二高反镜7为腔镜。
本申请中，第一高反镜2至非偏振光分束器3中心的距离等于第二高反镜7至非偏振光分束器3中心的距离，确保经过第一高反镜2和第二高反镜7反射后的光散斑一样大，在最佳相干处增强，提高增强效率。如图1所示，第一高反镜2至非偏振光分束器3中心的距离指第一高反镜2沿入射光线方向至非偏振光分束器3中心的距离；第二高反镜7至非偏振光分束器3中心的距离指第一高反镜2沿入射光线方向至非偏振光分束器3中心的距离。
一种基于多路径量子干涉的信号放大方法，包括以下步骤：
真热光1经过第一高反镜2入射至迈克尔逊干涉仪，入射光打在非偏振光分束器3上分束，一束光打在固定的第一平面全反射镜4上面，另一束打在可移动的第二平面全反射镜5上，两束光分别经过全反射镜反射后，在非偏振光分束器3处汇合后折返在第一高反镜2和第二高反镜7上，而打在第一高反镜2和第二高反镜7的光除了会透射一小部分光出去，大部分的光在第一高反镜2和第二高反镜7的高反面再次反射进入非偏振光分束器3继续在两面全反射镜上面反射回来，光线再次反射进入迈克尔逊干涉仪；最后经过在迈克尔逊干涉仪循环腔循环多次后由第二高反镜7透射出来的光进入滤波片8后由双光子吸收探测器9接收，而同时通过计算器10实现同步对动镜移动控制台6的纵向扫描和数据采集，计算器10进行实时数据处理，从而获取放大后的光信号，实现真热光超聚束效应；注入的热光在迈克尔逊干涉仪循环腔中多次反射和干涉增加信号的强度，提高了信噪比。根据相干光学理论，微弱信号被编码于热光的二阶及高阶关联函数之中，由于同一注入腔室和迈克尔逊干涉仪的作用能使干涉项非常快速地增加，结合二阶及高阶关联函数的双光子吸收探测装置，微弱信号能够被极大地放大，增大了信噪比。
如图3所示，当真热光1经过传播打在非偏振光分束器3上后，会进入迈克尔逊干涉仪中，设两个独立的光子a和光子b由一个热光源发射而出，当经过一次迈克尔逊干涉仪后会聚到非偏振光分束器3分束后第一次打在第一平面全反射镜4和第二平面全反射镜5上面时，这整个过程有4种触发路径：光子a和光子b均走①通道；光子a和光子b均走②通道；光子a走①通道，光子b走②通道；光子a走②通道，光子b走①通道。
光子被非偏振光分束器3和第一平面全反射镜4反射的这个通道为通道①，而穿过非偏振光分束器3然后在第二平面全反射镜5反射的光子通道为通道②。对于一个双光子探测事件发生，它是所有4种触发路径概率幅之和的模方，而同时微弱信号被编码于热光的二阶关联函数之中，经过在腔中的反射与干涉，完成对放大的微弱信号的测量，经过透射得到透射光线信号，所以透射光线的二阶关联函数可以写成：
G2(r1,t1；r2,t2)＝<|Aa1b1+Aa2b2+Aa1b2+Aa2b1|2> (1)
其中Aa2b1表示的是光子a在通道②中传播，光子b在通道①中传播，最终合并触发双光子吸收探测事件；同理其他的几项可以用符号分别写成Aa1b2表示的是光子a在通道①中传播，光子b在通道②中传播，最终合并触发双光子吸收探测事件；Aa1b1表示的是光子a和光子b均在通道①中传播，最终合并触发双光子吸收探测事件；Aa2b2表示的是光子a和光子b均在通道②中传播，最终合并触发双光子吸收探测事件。
将二阶关联函数进行归一化处理后得到g(2)(r1,t1；r2,t2)＝2，实现双光子聚束效应，同时实现将入射光信号的信噪比增加至SNR＝4，实现对于微弱信号的放大。
当真热光在迈克尔逊干涉仪循环腔里面反射一次后，第二次进入迈克尔逊干涉仪时，所以此时当光再次汇聚于第二高反镜7时，整个过程有16种触发路径，这样一个双光子探测事件发生的概率是所有16种触发路径概率幅之和的模方，其二阶关联函数可以写成：
其中Aa11b11表示的是光子a在通道①中传播然后经过腔镜再次进入通道①进行传播，光子b在通道①中传播经过腔镜再次进入通道①进行传播，最终光子a和光子b合并触发双光子吸收探测事件。
同理其他的几项可以用符号分别写成：Aa11b11、Aa11b21、Aa11b22、Aa12b11、Aa12b12、Aa12b21、Aa12b22、Aa21b11、Aa21b12、Aa21b21、Aa21b22、Aa22b11、Aa22b12、Aa22b21、Aa22b22。
此时将得到的二阶关联函数进行归一化处理后得到光信号g(2)(r1,t1；r2,t2)＝2.89≥2，因此实现了双光子超聚束效应。
当光子a和光子b在谐振腔里面反射(N-1)次时，也就是在迈克尔逊干涉仪里面传播了(N-1)次，此时这整个过程有4N-1种触发路径，其二阶关联函数可以写成：
其中i,j＝1,2，a、b分别表示的来自于热光的不同的两个光子。
利用计算器10实现对动镜移动控制台6的纵向扫描，使真热光在迈克尔逊干涉仪两臂传播时形成时间差(t1-t2)，形成双光子干涉。
光子经过第二高反镜7透射光入射进滤波片8，滤波片8滤除能够导致双光子吸收探测器产生单光子探测的波段的光，使单光子探测的量子效率接近于零，提高其双光子吸收探测的效率。
经过滤波片8的光触发双光子吸收探测器9，双光子吸收探测器能够与动镜移动控制台6同步实时接收到触发双光子吸收的光信号，利用计算器10进行实时数据处理。
那么在迈克尔逊干涉仪循环腔中循环N次后的热光的二阶关联方程表示为：
其中
是光子a和光子b分别经过n次通道①或者通道②的概率幅表示。
采集的数据经过双光子探测符合系统后，使用关联运算进行归一化处理后得到：
其中
表示的是从N个不相同元素中取出n个的组合，N≥n，同理
的含义也与此相同，∑是所有项累加的意思。当n＝1时，g(2)(r1,t1；r2,t2)＝2，实现双光子聚束效应；当n＝2时，g(2)(r1,t1；r2,t2)＝2.89>2，实现双光子超聚束效应；即当n>2时，g(2)(r1,t1；r2,t2)>2，实现双光子超聚束效应，而且g(2)(r1,t1；r2,t2)会随着n的增加而越来越大，通过此方法实现了迈克尔逊干涉仪循环腔中的真热光超聚束效应。
注入腔中的热光在迈克尔逊干涉仪中多次反射和干涉增加信号的强度，提高了信噪比；微弱信号被编码于热光的二阶及高阶关联函数之中，由于同一注入腔室内第一高反镜2、第二高反镜7和迈克尔逊干涉仪的作用能使的干涉项非常快速地增加，结合二阶及高阶关联函数的双光子吸收探测装置，微弱信号能够被极大地放大，输入迈克尔逊干涉仪里面的光信号的信噪比增加至：
其中SNR表示的光信号的峰值比，即探测到光信号的能力，用信噪比来表示，
表示的是从N个不相同元素中取出n个的组合，N≥n。
实施例1
下面结合图1、图2、图3对本发明做进一步的说明，如图1所示：本发明装置包括真热光源1，第一高反镜2、第二高反镜7，非偏振光分束器3，第一平面全反射镜4，第二平面全反射镜5，动镜移动控制台6，滤波片8，双光子吸收探测器9，计算机10。其中计算机10与动镜移动控制台6和双光子吸收探测器9相连。如图2所示：装置中的真热光源，非偏振光分束器3，第一平面全反射镜4，第二平面全反射镜5，动镜移动控制台6构成一个具有扫描功能的迈克尔逊干涉仪。如图3所示：第一高反镜2、第二高反镜7、非偏振光分束器3，第一平面全反射镜4，第二平面全反射镜5构成迈克逊干涉仪循环腔。
真热光1经过第一高反镜2入射至迈克尔逊干涉仪，入射光打在非偏振光分束器3上分成两束光，一束光打在固定的第一平面全反射镜4上面，另一束打在可移动的第二平面全反射镜5上，两束光分别经过全反射镜反射后，在非偏振光分束器3处汇合后折返在第一高反镜2和第二高反镜7上，此时形成第一次干涉。而打在第一高反镜2和第二高反镜7的光除了会透射一小部分光出去，大部分的光在第一高反镜2和第二高反镜7的高反面再次反射进入非偏振光分束器3继续在两面全反射镜上面反射回来，光线再次反射进入迈克尔逊干涉仪；通过控制腔镜的品质因子，最后经过在迈克尔逊干涉仪循环腔循环多次后由第二高反镜7透射出来的光进入滤波片8后由双光子吸收探测器9接收，而同时通过计算机10同步实现对动镜移动控制台6的纵向扫描和数据采集，从而实现真热光的超聚束效应，通过处理还可实现对微弱光信号的放大。
假设两个独立的光子a和光子b由一个热光源发射而出，光子被非偏振光分束器3和第一平面全反射镜4反射的这个通道为通道①，而穿过非偏振光分束器3然后在第二平面全反射镜5反射的光子通道为通道②。当真热光1经过传播打在非偏振光分束器3上后，会进入迈克尔逊干涉仪循环腔中。当光子a和光子b在谐振腔里面反射100次时，也就是在迈克尔逊干涉仪里面传播了100次，此时这整个过程有4100种触发路径，其二阶关联函数可以写成：
其中i,j＝1,2，
是光子a、b分别经过100次通道1或者通道2的概率幅表达式。
将采集的数据，在经过双光子探测符合系统后，通过关联运算将得到的二阶关联函数进行归一化处理后得到：g(2)(r1,t1；r2,t2)＝24.1>2，如图4向左箭头所示，同时根据公式SNR的计算公式，光信号的信噪比增加至SNR＝315，如图4向右箭头所示，此时微弱光信号的相对强度被放大了315倍。
所以当真热光经过N次迈克尔逊干涉仪后，真热光的信噪比与归一化二阶关联函数g(2)(r1,t1；r2,t2)都随着N的增大而增大。因此我们通过此方法实现了不仅实现了对于微弱信号的放大，而且还实现了真热光的超聚束效应。
本发明一种基于多路径量子干涉的信号放大方法，通过将迈克尔逊干涉仪放在一个腔里面构成迈克尔逊干涉仪循环腔，通过控制品质因子，进而控制光在迈克尔逊干涉仪里面的反射次数来增加信号的信噪比，这能够解决微弱信号难以触发探测装置的难题；同时随着在腔中反射次数的增多进而也可以实现在线性系统中对真热光超聚束效应的控制，解决现在利用非线性手段来产生超聚束效应的光子对生成效率之低以及产生超聚束效应的实验手段之复杂的问题，这对于真热光鬼成像的对比度提高也有着极大的作用。
本发明一种基于多路径量子干涉的信号放大装置，充分利用热光(包括在干涉仪中多次反射和干涉来增加信号的强度，能够解决微弱信号难以触发探测装置的难题；同时在探测端充分利用双光子吸收探测技术的特点，当光信号频率满足能级跃迁过程时，光子会被吸收，其吸收速率使得双光子吸收探测能够在飞秒量级内捕获信号，从而实现对于真热光超聚束效应的测量，进而也增大了我们的应用场景，这非常有助于我们对于真热光超聚束光源的实用化。同时这极大的解决了现在对于真热光涨落过快，极难探测到真热光光场二阶关联函数的问题。因此本发明装置对于微弱信号的放大有着巨大的作用，尤其在微弱地震波的检测，引力波探测，鬼成像，遥感测绘等领域都将会有相当广泛地应用。
Claims (5)
1.一种基于多路径量子干涉的信号放大装置，其特征在于，包括滤波片(8)、双光子吸收探测器(9)、计算器(10)以及设置于同一注入腔室内的第一高反镜(2)、第二高反镜(7)和迈克尔逊干涉仪，第一高反镜(2)设置于迈克尔逊干涉仪的入射口与迈克尔逊干涉仪的动镜平行，第一高反镜(2)高反面一侧靠近迈克尔逊干涉仪；第二高反镜(7)设置于迈克尔逊干涉仪的出射口与迈克尔逊干涉仪的定镜平行，第二高反镜(7)的高反面一侧靠近迈克尔逊干涉仪；滤波片(8)设置于第二高反镜(7)的另一侧与第二高反镜(7)平行，双光子吸收探测器(9)设置于滤波片(8)一侧用于获取第二高反镜(7)透射光，计算器(10)连接于双光子吸收探测器(9)和迈克尔逊干涉仪的动镜移动控制台。
2.根据权利要求1所述的一种基于多路径量子干涉的信号放大装置，其特征在于，迈克尔逊干涉仪包括非偏振光分束器(3)、第一平面全反射镜(4)和第二平面全反射镜(5)，第一平面全反射镜(4)为所述定镜，第二平面全反射镜(5)为所述动镜。
3.根据权利要求2所述的一种基于多路径量子干涉的信号放大装置，其特征在于，第一高反镜(2)至非偏振光分束器(3)中心的距离等于第二高反镜(7)至非偏振光分束器(3)中心的距离。
4.一种基于权利要求1所述多路径量子干涉的信号放大装置的多路径量子干涉的信号放大方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)、将真热光源通过第一高反镜入射至同一注入腔室内的迈克尔逊干涉仪；
步骤2)、利用滤波片将第二高反镜的透射光进行滤波，利用双光子吸收探测器实时采集滤波后的透射光线，构建透射光线的二阶关联函数，对二阶关联函数进行归一化处理后得到放大后光信号。
5.根据权利要求4所述多路径量子干涉的信号放大方法，其特征在于，步骤2)中，对动镜移动控制台的纵向扫描移动，使真热光在迈克尔逊干涉仪两臂传播时时间差为t1-t2，形成双光子干涉。
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