CN114279580B - 基于超导纳米线单光子探测器的偏振测量与成像仪器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于超导纳米线单光子探测器的偏振测量与成像仪器，仪器包括：光束发射子系统、分振幅式光学子系统以及SNSPD探测子系统；所述光束发射子系统由飞秒光纤激光器、准直器、起偏器组成；所述分振幅式光学子系统用于对待测目标进行二维扫描，并利用分振幅法测量回波的偏振态，由光束转向镜、4个非偏振分束立方、4个不同方位角的起偏器、1个四分之一波片、准直器以及不同长度的延时线组成；所述SNSPD探测子系统用于对回波光子的探测，由低温恒温器、SNSPD器件、电压源以及时间‑幅值转换器组成。本发明利用时间‑幅值转换器与SNSPD的特性，实现对入射光多种信息的同时获取，使得偏振成像系统能够适应多种应用场景。
Description
技术领域
本发明涉及单光子探测器领域，尤其涉及基于超导纳米线单光子探测器的偏振测量与成像仪器。
背景技术
光本质上是一种电磁波，而电磁波是横波，即电场与磁场的振动方向垂直于波的传播方向。光的偏振态用于描述电磁波的振动特征。根据振动特征的不同，光波可分为完全偏振光、部分偏振光以及自然光，而完全偏振光根据电场矢量两正交分量相位的不同又可以分为线偏振光、圆偏振光以及椭圆偏振光。当光与物体接触，进而发生了反射、折射、衍射时，物体的材料、表面形貌等属性可能会改变光的偏振态，使得出射光携带有物体的一些信息。通过对光的偏振态进行测量，被提取的偏振信息可被应用于水下成像、导航、生物医疗以及目标识别等领域。
偏振成像是指利用仪器获取的回波偏振信息，实现对扫描场景的重建。目前偏振成像技术可以分为分时成像技术、分振幅成像技术、分孔径成像技术以及分焦平面成像技术。虽然不同方法的实验装置有所差异，但使用的探测器通常都是CCD相机。虽然CCD相机具有光敏面积大、空间分辨率高、便于与偏振分束器等空间元件相结合等优势，但无法满足弱光环境探测以及远距离偏振成像的需求。
另一方面，超导纳米线单光子探测器(SNSPD)作为一类性能优越的弱光探测器，目前已被广泛应用于多领域，例如：大规模集成电路缺陷检测、量子密钥分发、激光雷达以及月地激光通信等。SNSPD弱光探测的特性以及优越的性能也十分契合偏振成像的要求，虽然目前已经有利用SNSPD进行偏振成像的仪器被提出，但是利用SNSPD在弱光环境下对任意偏振态的光进行全Stokes偏振测量的仪器还未被报导。全Stokes偏振测量，即测量入射光完整的Stokes向量，能够测量任意偏振态的入射光，获得更多类型的偏振成像，从而揭示出物体结构、材料组成、纹理以及表面方向等丰富的信息，因而具有更加实际性的应用价值。
发明内容
本发明提供了一种基于超导纳米线单光子探测器的偏振测量与成像仪器，本发明利用时间-幅值转换器与SNSPD的特性，实现对入射光多种信息的同时获取，使得偏振成像系统能够适应多种应用场景，详见下文描述：
基于超导纳米线单光子探测器的偏振测量与成像仪器，所述仪器包括：
光束发射子系统、分振幅式光学子系统以及SNSPD探测子系统；
所述光束发射子系统由飞秒光纤激光器、准直器、起偏器组成；
所述分振幅式光学子系统用于对待测目标进行二维扫描，并利用分振幅法测量回波的偏振态，由光束转向镜、4个非偏振分束立方、4个不同方位角的起偏器、1个四分之一波片、准直器以及不同长度的延时线组成；
所述SNSPD探测子系统用于对回波光子的探测，由低温恒温器、SNSPD器件、电压源以及时间-幅值转换器组成；
其中，所述偏振测量与成像仪器的工作流程为：
用多组已知偏振态的入射光标定整个分振幅式光学子系统的仪器矩阵；
控制所述光束转向镜对待测目标进行二维扫描；
单个SNSPD器件时分复用地对4个通道的回波进行探测；
利用测得的4个通道的光功率以及标定的仪器矩阵，对回波的偏振态进行还原，利用还原得到的Stokes向量对目标进行偏振成像重建。
进一步地，所述飞秒光纤激光器提供中心波长为1560nm的出射光，出射光经过90：10的光纤分束器后，10％的光经可调光衰减器后通入光电探测器，光电探测器产生的电脉冲通入时间-幅值转换器的同步信号端口，作为计时开始信号；90％的光经过光纤准直器与起偏器后，输出的光束通过分束立方，经光束转向镜照射在目标表面；
从目标反射的回波光子经光束转向镜、分束立方折转后耦合到一个与单模光纤连接的准直器，出射光经3个非偏振分束立方被分为4路；
4个起偏器方位角调整为0°，45°，90°，135°，135°起偏器前设置一个1/4波片，波片快轴方向为0°，使用准直器将空间光耦合进单模光纤，4路光纤的长度并不相同，在0°、90°、45°、135°四个通道分别做了不同延时；
4路光纤通过1×4光纤耦合器合并为1路，最终通入SNSPD探测子系统中；
SNSPD探测子系统产生的电脉冲经过放大后通入时间-幅值转换器，作为计时结束信号，通过获取每一个像素共计数的统计直方图，分别对四个共计数峰进行积分即可获得每一路接收到的光子计数率。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
(1)本发明首次实现了利用单个SNSPD在弱光环境下的全Stokes偏振测量。通过对单个SNSPD器件的时分复用，可以精确实时地测量任意偏振态下回波完整的Stokes向量，从而获得更多类型的偏振成像，能够更加细致地揭示出物体结构、材料组成、纹理以及表面方向等丰富的信息，具有广阔的应用空间。
(2)此外，本发明能够在应用场景和获取的信息这两项功能上实现拓展。首先，本发明使用SNSPD作为探测器件，这使得成像仪器能够适应多种弱光场景，并且由于SNSPD的高效率特性，单个像素的测量时间可被极大缩减。其次，本发明使用近红外光作为光源，避免可见光对成像重建结果的干扰。最后，利用时间-幅值转换器与SNSPD相结合的探测方式能够利用一次测量同时获取目标场景的深度信息，偏振信息以及计数率信息。
附图说明
图1为标定分振幅式光学子系统的仪器矩阵的实验装置图；
其中，虚线框内是分振幅式光学子系统。商用偏振测量仪最先接收到入射光，用于表征和记录入射光的光功率以及Stokes向量，记录结束之后移开商用偏振测量仪，入射光进入分振幅式光学子系统。实验装置的末端放有一个光功率计，通过遮挡其他三路的出射光，能够交替记录分振幅式光学子系统中4个通道输出的光功率。
图2为基于SNSPD的偏振成像仪器的结构示意图；
其中，飞秒光纤激光器、准直器、起偏器组成光束发射子系统，虚线框内是分振幅式光学子系统，电压源、时间-幅值转换器与低温恒温器连同内部安装的SNSPD构成了SNSPD探测子系统。
图3为典型共计数的统计直方图；
其中，4个峰的积分代表4个通道在一定时间内的光子计数，每个峰的半高全宽约为51ps。
图4为毛绒玩具成像结果的示意图；
其中，(a)为目标实物照片；(b)为相对深度成像；(c)为偏振度成像；(d)为线偏振度成像；(e)为圆偏振度成像；(f)为偏振角成像；(g)为总计数率成像；(h)为0°端口的计数率成像；(i)为90°端口的计数率成像；(j)为45°端口的计数率成像；(k)为135°端口的计数率成像。
图5为福字剪纸成像结果的示意图。
其中，(a)为目标实物照片；(b)为相对深度成像；(c)为偏振度成像；(d)为线偏振度成像；(e)为圆偏振度成像；(f)为偏振角成像；(g)为总计数率成像；(h)为0°端口的计数率成像；(i)为90°端口的计数率成像；(j)为45°端口的计数率成像；(k)为135°端口的计数率成像。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
基于超导纳米线单光子探测器的偏振测量与成像仪器的总体技术方案为：
基于SNSPD的偏振成像仪器包括三个子系统：光束发射子系统、分振幅式光学子系统以及SNSPD探测子系统。
其中，光束发射子系统由飞秒光纤激光器、准直器、起偏器组成。
分振幅式光学子系统由光束转向镜(BSM)、4个非偏振分束立方(BS)、4个不同方位角的起偏器、1个四分之一波片、准直器以及不同长度的延时线组成，如图2中的虚线框所示，目的是对待测目标进行二维扫描并利用分振幅法测量回波的偏振态。
其中，SNSPD探测子系统由低温恒温器、SNSPD、电压源以及时间-幅值转换器组成，用于对回波光子的探测。
本发明实施例的实现依赖于以下SNSPD的性质和分振幅法测量偏振态的原理：
1、SNSPD能够探测单光子，并相应地输出一个电脉冲，而且具有高探测效率；
2、分振幅法利用振幅分割原理，将入射光分成0°、45°、90°、135°四个通道。通过测定4个通道的光功率，能够实时地测量出描述光偏振态的Stokes向量，实现偏振测量。
3、根据S＝F-1Pout，通过标定分振幅式光学子系统的仪器矩阵F，可以在已知四个通道的出射光功率(Pout)的基础上还原出原始回波的Stokes向量(S)。
基于SNSPD进行偏振成像的过程为：
首先，用多组已知偏振态的入射光标定整个分振幅式光学子系统的仪器矩阵F，如图2中的虚线部分所示。之后，控制光束转向镜对待测目标进行二维扫描，由于分振幅式偏振测量系统的4个通道具有不同的延时，单个SNSPD器件可以时分复用地对4个通道的回波进行探测。利用测得的4个通道的光功率以及标定的仪器矩阵F，对回波的偏振态进行还原，利用还原得到的Stokes向量对目标进行偏振成像重建。
实施方式一：
基于超导纳米线单光子探测器的分振幅式全偏振成像仪器搭建：
图2展示了基于SNSPD的偏振成像仪器的结构示意图。飞秒光纤激光器提供中心波长为1560nm的出射光。出射光经过90：10的光纤分束器后，10％的光经过可调光衰减器后通入光电探测器，光电探测器产生的电脉冲通入时间-幅值转换器的同步信号端口，作为计时开始信号。90％的光经过光纤准直器与起偏器后，输出的光束通过分束立方，经光束转向镜照射在目标表面。从目标反射的回波光子经光束转向镜、分束立方折转后耦合到一个与单模光纤连接的准直器，出射光经过3个非偏振分束立方被分为4路。4个起偏器方位角被调整为0°，45°，90°，135°，放置位置如图2所示。135°起偏器前放置了一个1/4波片，波片快轴方向为0°。使用准直器将空间光耦合进单模光纤，为了用单个SNSPD实现对4个通道的时分复用，4路光纤的长度并不相同，在0°、90°、45°、135°四个通道分别做了不同延时，使得不同通道接收到的回波光子能够在合束之后，仍能从时间上清楚地区分。4路光纤随后通过1×4光纤耦合器合并为1路，最终通入SNSPD探测子系统中。接收到光子后，SNSPD产生的电脉冲经过放大后通入时间-幅值转换器，作为计时结束信号。通过获取每一个像素共计数的统计直方图，如图3所示，分别对四个共计数峰进行积分即可获得每一路接收到的光子计数率(即光功率)。
实施方式二：
仪器矩阵标定：
按照以下实验步骤标定分振幅式光学子系统的仪器矩阵F。
1、使用1560nm连续光激光器作为光源，将起偏器与1/4波片组合作为偏振态产生器，产生多组具有不同偏振态的入射光，入射光经过准直后射入商用偏振测量仪，测量入射光的斯托克斯矢量以表征其偏振态，并记录起偏器以及1/4波片的对应刻度。
2、在表征入射光偏振态后，使用光功率计记录具有不同偏振态的入射光经过分振幅式光学子系统后由4个通道输出的光功率。将商用偏振测量仪移开，使入射光进入分振幅式光学子系统。
3、之后根据记录的起偏器和波片角度，复现先前表征过的入射光。按照记录调整入射端起偏器与波片的角度，每个偏振态分别记录入射光光功率，以及四端口单独接收到的光功率(通过遮挡其他三路进行单独一路的测量)。4个通道的光功率组成的向量：
之后通过如下公式拟合出分振幅式光学子系统的仪器矩阵的最小二乘解：
F＝YXT(XXT)-1
其中，Y为由多组Pout构成的4×N矩阵，X为多组入射光的归一化Stokes向量构成的4×N矩阵。此外，F只有是非奇异矩阵(即detF≠0)，才存在逆矩阵F-1，这样斯托克斯向量S的四个元素才有特解。
实施方式三：
系统测试与数据处理：
在标定好分振幅式光学子系统的仪器矩阵之后，使用实施方式一能够得到扫描场景内每个像素的共计数统计直方图，通过对每个峰进行积分，得到四个端口接收到的光子计数率(光功率)。
利用下式可以计算得到从目标场景反射到分振幅式光学子系统的斯托克矢量：
S＝F-1Pout
其中，S是回波的斯托克斯矢量，F-1是分振幅式光学子系统的仪器矩阵的逆矩阵。之后再根据偏振度，线性偏振度等偏振参数的定义计算出具体数值。
深度信息的获取是通过持续监测四个共计数峰中的一个，记录峰值对应的时间，再根据下式可计算出目标场景的深度信息：
D＝c×t/2
其中，c为真空中的光速，数值为3×108m/s。
图4与图5展示了基于SNSPD的偏振成像仪器成像结果。图4(a)与图5(a)为目标实物照片。图4(b)-(k)与图5(b)-(k)展示了仪器在深度成像，偏振信息成像以及计数率成像方面的优秀性能。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.基于超导纳米线单光子探测器的偏振测量与成像仪器，其特征在于，所述仪器包括：
光束发射子系统、分振幅式光学子系统以及SNSPD探测子系统；
所述光束发射子系统由飞秒光纤激光器、准直器、起偏器组成；
所述分振幅式光学子系统用于对待测目标进行二维扫描，并利用分振幅法测量回波的偏振态，由光束转向镜、4个非偏振分束立方、4个不同方位角的起偏器、1个四分之一波片、准直器以及不同长度的延时线组成；
所述SNSPD探测子系统用于对回波光子的探测，由低温恒温器、SNSPD器件、电压源以及时间-幅值转换器组成；
其中，所述飞秒光纤激光器提供中心波长为1560nm的出射光，出射光经过90：10的光纤分束器后，10％的光经可调光衰减器后通入光电探测器，光电探测器产生的电脉冲通入时间-幅值转换器的同步信号端口，作为计时开始信号；90％的光经过光纤准直器与起偏器后，输出的光束通过分束立方，经光束转向镜照射在目标表面；
从目标反射的回波光子经光束转向镜、分束立方折转后耦合到一个与单模光纤连接的准直器，出射光经3个非偏振分束立方被分为4路；
4个起偏器方位角调整为0°，45°，90°，135°，135°起偏器前设置一个1/4波片，波片快轴方向为0°，使用准直器将空间光耦合进单模光纤，4路光纤的长度并不相同，在0°、90°、45°、135°四个通道分别做了不同延时；
4路光纤通过1×4光纤耦合器合并为1路，最终通入SNSPD探测子系统中；
SNSPD探测子系统产生的电脉冲经过放大后通入时间-幅值转换器，作为计时结束信号，通过获取每一个像素共计数的统计直方图，分别对四个共计数峰进行积分即可获得每一路接收到的光子计数率。
2.根据权利要求1所述的基于超导纳米线单光子探测器的偏振测量与成像仪器，其特征在于，所述偏振测量与成像仪器的工作流程为：
用多组已知偏振态的入射光标定整个分振幅式光学子系统的仪器矩阵；
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单个SNSPD器件时分复用地对4个通道的回波进行探测；
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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