CN114545643A - 一种基于偏振降噪的单光子成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于偏振降噪的单光子成像系统，包括激光器、偏振分束器、信号光模块、泵浦光模块、合束器、和频模块、单光子探测器；偏振分束器将激光分成互相垂直的信号光和泵浦光，垂直偏振信号光经信号光模块转换为水平偏振信号光，与水平偏振泵浦光合束成一路激光，经和频模块转换为和频光，通过单光子探测器对和频光进行探测。该系统通过偏振分束器和检偏器以及波分复用器和合束器的简单组合使用，可有效提升非线性光学的和频效率，提升系统抗噪性能。

Description

一种基于偏振降噪的单光子成像系统

技术领域

本发明属于量子技术领域，具体涉及一种基于偏振降噪的单光子成像系统，可广泛应用于高噪声环境下对物体的高精度三维成像。

背景技术

一般的单光子成像系统会采用时频滤波器来提高信号的信噪比，从而提高测量精度。时频滤波器是在信号检测中去除噪声的最佳线性系统，但是在选择效率（即通过滤波器的信号透过率）和噪声滤除效果之间存在一个基本的权衡，当通过滤波器的信号透过率越大时，噪声滤除效果越差，反之当通过滤波器的信号透过率越小时，噪声滤除效果越好。信号选择效率和噪声滤除效果之间的权衡从根本上限制了测量和处理隐藏在强背景噪声中弱信号的能力，这是现代光子学等领域应用面临的重大挑战。

针对上述挑战，单光子成像系统会采用一种基于非线性光学的方法，用于改进时频滤波器固有权衡的问题，这样即使在强干扰噪声的背景下，也可以准确的测量和处理弱信号。具体来说，该方法采用了非线性光学的参量上转换作用，这样并不会破坏信号的量子态，包括它们与其它各方的量子纠缠。

而且单光子成像系统一般基于收发同轴光路，由于光纤脉冲激光器的使用，放大器自发辐射（ASE）噪声会比较显著，ASE噪声会通过成像系统中光学器件的反射进入单光子探测器，严重影响测量结果。激光器产生的ASE噪声与其发射的激光具有相同的光谱并且全时间存在，一般的降噪手段并不能使ASE噪声明显衰减。更重要的是两者的功率成正比，大功率的激光发射必然带来大量的ASE噪声，所以也不能通过使用更大功率的激光以提升信号的信噪比。所以对ASE噪声的有效降噪成为影响成像结果的主要因素。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在提出一种基于偏振降噪的单光子成像系统。具体而言，现有技术中单光子成像系统存在内部产生的和外部产生的两方面噪声，本发明旨在运用偏振降噪的方法，以缓解现有技术中单光子成像系统存在的抗噪能力弱、信噪比低等技术问题。本发明采用以下技术方案：

一种基于偏振降噪的单光子成像系统，包括激光器、偏振分束器、信号光模块、泵浦光模块、合束器、和频模块、单光子探测器：

所述偏振分束器，与所述激光器相连，将激光分成两路偏振态互相垂直的线偏振光，偏振信号光和偏振泵浦光；

所述信号光模块与所述偏振分束器连接，接收所述偏振分束器输出的偏振信号光，改变偏振信号光的输出方向，运用在目标物体表面产生漫反射的退偏振效应，选择出与输入偏振信号光偏振方向相垂直的且携带有目标物体被测量点距离信息的偏振信号光，传输至所述合束器，其中目标物体被测量点距离信息即信号光的光程；

所述泵浦光模块与所述偏振分束器连接，接收所述偏振分束器输出的偏振泵浦光，改变偏振泵浦光的光程，使其光程与所述信号光模块输出的所述偏振信号光的光程相同，并将改变光程后的偏振泵浦光传输至所述合束器；

所述合束器分别与所述信号光模块和所述泵浦光模块连接，将所述信号光模块和所述泵浦光模块输出的偏振信号光和偏振泵浦光合束成一路激光；

所述和频模块，与所述合束器相连，包括和频晶体和滤波器，产生二阶非线性光学的参量上转换效应，将合束器输出的激光转换为和频光，并去除噪声；

所述单光子探测器，与所述和频模块相连，探测所述和频模块输出的和频光。

进一步，所述信号光模块包括波分复用器、光纤环形器、光纤准直器、MEMS振镜、检偏器；所述波分复用器，与所述偏振分束器相连，用于将激光按不同波长分束；所述光纤环形器，与所述波分复用器相连，用于同轴传输激光；光纤准直器，与所述光纤环形器相连，用于将激光从光纤中发射到空间中，并且将反射的激光从空间中耦合到光纤中；MEMS振镜，位于空间中，用于在空间中改变激光传输方向，为三维成像提供二维方位信息；检偏器，与所述光纤环形器相连，包括偏振分束机构，与所述偏振分束器方向互相垂直，用于对激光的检偏。

进一步，所述泵浦光模块包括波分复用器、光学延迟器，所述波分复用器，与所述偏振分束器相连，用于将激光按不同波长分束；光学延迟器，与所述波分复用器相连，用于改变激光光程，使得分束后的两路激光光程相同，为三维成像提供一维深度信息。

进一步，所述信号光模块的波分复用器输出激光波长为1554.1nm，所述泵浦光模块的波分复用器输出激光波长为1565.5nm。

进一步，所述激光器为光纤脉冲激光器，重复率为50MHz，中心波长为1560nm。

进一步，所述合束器中包括：波分复用器，输入激光波长为1554.1nm和1565.5nm。

一种基于偏振降噪的单光子成像方法，采用上述基于偏振降噪的单光子成像系统进行三维成像，包括以下步骤：

S1，激光器发射激光，利用偏振分束器分束得到偏振态相互垂直的偏振信号光和偏振泵浦光，控制MEMS振镜旋转到一角度，使得偏振信号光对准目标物体一位置，为目标物体的被测量点，输出该被测量点的二维方位信息；

S2，偏振信号光通过信号光模块以及偏振泵浦光通过泵浦光模块后，经合束器合束，输入和频模块得到和频光，利用单光子探测器对和频光进行测量；

S3，控制光学延迟器通过步进的方式从最小一端移动到最大一端，同步进行单光子探测器计数；

S4，寻找出单光子探测器计数最大时，光学延迟器的移动距离，输出被测量点的一维深度信息；

S5，重复步骤S1-S4，完成至少40×40=1600个被测量点的测量，获取目标物体三维信息；

S6，用点云三维重建方法对获取的目标物体三维信息进行处理，实现目标物体的三维成像。

进一步，所述步骤S2包括以下子步骤：

（1）偏振信号光经过波分复用器输出波长为1554.1nm的激光，经过光纤环形器、光纤准直器、MEMS振镜发射到目标物体表面；在目标物体表面上发生漫反射，偏振信号光退偏振变为随机偏振信号光；随机偏振信号光经过MEMS振镜、光纤准直器、光纤环形器输入检偏器；由于检偏器和偏振分束器方向互相垂直，随机偏振信号光变为和前述偏振信号光相垂直的偏振信号光；

（2）偏振泵浦光经过波分复用器输出波长为1565.5nm的激光，并输入光学延迟器；光学延迟器不改变偏振泵浦光的偏振状态；

（3）将步骤（1）得到的偏振信号光和步骤（2）得到的偏振泵浦光合束，输入和频模块；在和频模块中，合束后的激光发生参量上转换效应，得到和频光；用单光子探测器对和频光进行测量。

本发明相对于现有技术的有益效果：

（1）通过偏振分束器和检偏器以及波分复用器和合束器的简单组合使用，可有效提升非线性光学的和频效率，可有效抑制激光在空间中传输带来的外部噪声，提升系统抗噪性能，使用器件少，可在原有单光子成像系统上进行扩展；

（2）通过偏振分束器和检偏器以及光纤环形器和光纤准直器组合成收发同轴光路，可有效抑制系统的本地器件噪声以及系统采用光纤脉冲激光器产生的ASE噪声，有效提升系统的抗噪声能力；

（3）结合以上两点，通过偏振分束器和检偏器的组合使用，可有效提升激光信号的信噪比，提升三维成像的准确度。

附图说明

图1为本发明一种基于偏振降噪的单光子成像系统结构示意图。

图2为本发明一种基于偏振降噪的单光子成像系统技术方案示意图。

图3为本发明一种基于偏振降噪的单光子成像系统具体实施示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种基于偏振降噪的单光子成像系统，如图1、图2和图3所示，激光在经过偏振分束器后分为两路激光，其中上部分照射到目标物体上的光路称之为信号光光路，下部分没有照射到目标物体上的光路称之为泵浦光光路。

系统工作原理为：光纤脉冲激光器发射出偏振态为随机偏振的激光，激光通过光纤传输到偏振分束器中，偏振分束器将激光分成两路偏振态互相垂直的线偏振光，信号光为垂直偏振光，泵浦光为水平偏振光。

信号光经过光纤传输到输出波长为1565.5nm的波分复用器中进行滤波，再经过光纤传输到光纤环形器的1口，经过光纤环形器由2口输出，又通过光纤传输到光纤准直器中，光纤准直器将信号光从光纤中发射到空间中，信号光在空间中传播，经过MEMS振镜反射打到目标物体上，到此时为止，信号光的偏振态并没有改变，还是垂直偏振光，由于物体是漫反射，信号光从线偏振光退化成随机偏振光同轴反射回到光路中，信号光经过光纤准直器从空间中耦合到光纤中，经过光纤传输到光纤环形器的2口，经过光纤环形器由3口输出，再经过光纤传输到检偏器中，由于检偏器和偏振分束器的方向互相垂直，输出信号光为水平偏振光。

泵浦光经过光纤传输到输出波长为1554.1nm的波分复用器中进行滤波，再经过光纤传输到光学延迟器中，光学延迟器通过机械运动的方式改变泵浦光在光学延迟器中的光程。

信号光和泵浦光分别通过光纤传输到合束器上进行合束，此时，信号光和泵浦光都是水平偏振光，再经过光纤传输到和频模块进行和频，和频模块包括和频晶体和滤波器，当信号光和泵浦光合束穿过和频晶体时，会发生二阶非线性光学中的和频现象，生成和频光，并且滤波器会将除和频光以外的噪声去除，如泵浦光的二倍频光，最后，和频光经过光纤传输到单光子探测器中，单光子探测器探测微弱的和频光。

通过控制光学延迟器改变泵浦光光程，使得信号光和泵浦光光程相同，此时和频模块的和频效率最大，和频光的强度最大，使用单光子探测器进行测量，就可以得到和频光强度最大时对应的光学延迟器的长度，这就为三维成像提供了一维深度信息；通过控制MEMS振镜转动，在空间中改变激光的传输方向，这就可以为三维成像提供二维方位信息；一维深度信息叠加二维方位信息实现三维成像。

此外，本发明还提供了一种基于偏振降噪的单光子成像方法，包括以下步骤：

步骤S1，激光器发射激光，利用偏振分束器分束得到偏振态相互垂直的偏振信号光和偏振泵浦光，控制MEMS振镜旋转到一角度，使得偏振信号光对准目标物体一位置，为目标物体的被测量点，输出该被测量点的二维方位信息；

步骤S2，偏振信号光通过信号光模块以及偏振泵浦光通过泵浦光模块后，经合束器合束，输入和频模块得到和频光，利用单光子探测器对和频光进行测量。具体包括以下子步骤：

（1）偏振信号光经过波分复用器输出波长为1554.1nm的激光，经过光纤环形器、光纤准直器、MEMS振镜发射到目标物体表面。在目标物体表面上发生漫反射，偏振信号光退偏振变为随机偏振信号光。随机偏振信号光经过MEMS振镜、光纤准直器、光纤环形器输入检偏器。由于检偏器和偏振分束器方向互相垂直，随机偏振信号光变为和前述偏振信号光相垂直的偏振信号光。

（2）偏振泵浦光经过波分复用器输出波长为1565.5nm的激光，并输入光学延迟器。光学延迟器不改变偏振泵浦光的偏振状态。

（3）将步骤（1）得到的偏振信号光和步骤（2）得到的偏振泵浦光合束，输入和频模块。在和频模块中，合束后的激光发生参量上转换效应，得到和频光。用单光子探测器对和频光进行测量；

步骤S3，控制光学延迟器通过步进的方式从最小一端移动到最大一端，同步进行单光子探测器计数；

步骤S4，寻找出单光子探测器计数最大时，光学延迟器的移动距离，输出被测量点的一维深度信息；

步骤S5，重复步骤S1-S4，完成至少40×40=1600个被测量点的测量，获取目标物体三维信息；

步骤S6，用点云三维重建方法对获取的目标物体三维信息进行处理，实现目标物体的三维成像。

由于系统增加了对信号光和泵浦光的偏振控制，和频模块的和频效率得到了有效提升，和频光的信噪比更高，单光子探测器的准确度更高，有效抑制了信号光在空间中传输带来的外部噪声。

由于偏振分束器和检偏器的设置，信号光收发同轴光路带来的本地器件噪声，以及光纤脉冲激光器带来的放大器自发辐射（ASE）噪声，都被检偏器有效地抑制，通过损失一半的信号功率，得到了更高的信噪比，有效地提升了系统的抗噪声能力。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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 (8)

1.一种基于偏振降噪的单光子成像系统，其特征在于，包括激光器、偏振分束器、信号光模块、泵浦光模块、合束器、和频模块、单光子探测器：

所述偏振分束器，与所述激光器相连，将激光分成两路偏振态互相垂直的线偏振光，偏振信号光和偏振泵浦光；

所述信号光模块与所述偏振分束器连接，接收所述偏振分束器输出的偏振信号光，改变偏振信号光的输出方向，运用在目标物体表面产生漫反射的退偏振效应，选择出与输入偏振信号光偏振方向相垂直的且携带有目标物体被测量点距离信息的偏振信号光，传输至所述合束器，其中目标物体被测量点距离信息即信号光的光程；

所述泵浦光模块与所述偏振分束器连接，接收所述偏振分束器输出的偏振泵浦光，改变偏振泵浦光的光程，使其光程与所述信号光模块输出的所述偏振信号光的光程相同，并将改变光程后的偏振泵浦光传输至所述合束器；

所述合束器分别与所述信号光模块和所述泵浦光模块连接，将所述信号光模块和所述泵浦光模块输出的偏振信号光和偏振泵浦光合束成一路激光；

所述和频模块，与所述合束器相连，包括和频晶体和滤波器，产生二阶非线性光学的参量上转换效应，将合束器输出的激光转换为和频光，并去除噪声；

所述单光子探测器，与所述和频模块相连，探测所述和频模块输出的和频光。

2.根据权利要求1所述的基于偏振降噪的单光子成像系统，其特征在于，所述信号光模块包括波分复用器、光纤环形器、光纤准直器、MEMS振镜、检偏器；所述波分复用器，与所述偏振分束器相连，用于将激光按不同波长分束；所述光纤环形器，与所述波分复用器相连，用于同轴传输激光；光纤准直器，与所述光纤环形器相连，用于将激光从光纤中发射到空间中，并且将反射的激光从空间中耦合到光纤中；MEMS振镜，位于空间中，用于在空间中改变激光传输方向，为三维成像提供二维方位信息；检偏器，与所述光纤环形器相连，包括偏振分束机构，与所述偏振分束器方向互相垂直，用于对激光的检偏。

3.根据权利要求2所述的基于偏振降噪的单光子成像系统，其特征在于，所述泵浦光模块包括波分复用器、光学延迟器，所述波分复用器，与所述偏振分束器相连，用于将激光按不同波长分束；光学延迟器，与所述波分复用器相连，用于改变激光光程，使得分束后的两路激光光程相同，为三维成像提供一维深度信息。

4.根据权利要求3所述的基于偏振降噪的单光子成像系统，其特征在于，所述信号光模块的波分复用器输出激光波长为1554.1nm，所述泵浦光模块的波分复用器输出激光波长为1565.5nm。

5.根据权利要求1-4任一项所述的基于偏振降噪的单光子成像系统，其特征在于，所述激光器为光纤脉冲激光器，重复率为50MHz，中心波长为1560nm。

6.根据权利要求1-4任一项所述的基于偏振降噪的单光子成像系统，其特征在于，所述合束器中包括：波分复用器，输入激光波长为1554.1nm和1565.5nm。

7.一种基于偏振降噪的单光子成像方法，其特征在于，采用如权利要求3或4所述的基于偏振降噪的单光子成像系统进行三维成像，包括以下步骤：

S1，激光器发射激光，利用偏振分束器分束得到偏振态相互垂直的偏振信号光和偏振泵浦光，控制MEMS振镜旋转到一角度，使得偏振信号光对准目标物体一位置，为目标物体的被测量点，输出该被测量点的二维方位信息；

S2，偏振信号光通过信号光模块以及偏振泵浦光通过泵浦光模块后，经合束器合束，输入和频模块得到和频光，利用单光子探测器对和频光进行测量；

S3，控制光学延迟器通过步进的方式从最小一端移动到最大一端，同步进行单光子探测器计数；

S4，寻找出单光子探测器计数最大时，光学延迟器的移动距离，输出被测量点的一维深度信息；

S5，重复步骤S1-S4，完成至少40×40=1600个被测量点的测量，获取目标物体三维信息；

S6，用点云三维重建方法对获取的目标物体三维信息进行处理，实现目标物体的三维成像。

8.根据权利要求7所述的基于偏振降噪的单光子成像方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下子步骤：

（1）偏振信号光经过波分复用器输出波长为1554.1nm的激光，经过光纤环形器、光纤准直器、MEMS振镜发射到目标物体表面；在目标物体表面上发生漫反射，偏振信号光退偏振变为随机偏振信号光；随机偏振信号光经过MEMS振镜、光纤准直器、光纤环形器输入检偏器；由于检偏器和偏振分束器方向互相垂直，随机偏振信号光变为和前述偏振信号光相垂直的偏振信号光；

（2）偏振泵浦光经过波分复用器输出波长为1565.5nm的激光，并输入光学延迟器；光学延迟器不改变偏振泵浦光的偏振状态；

（3）将步骤（1）得到的偏振信号光和步骤（2）得到的偏振泵浦光合束，输入和频模块；在和频模块中，合束后的激光发生参量上转换效应，得到和频光；用单光子探测器对和频光进行测量。

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