CN116400369B - 基于量子诱导相干的探测方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于量子诱导相干的探测方法及装置，该探测方法不直接测量来自待测物体的信号，而是将第一探测光上携带的待测物体信息通过量子相干传递到始终储存于本地的第一参考光上。通过第一参考光和第二参考光之间的干涉来实现待测物体距离信息和图像信息的同时获取。这种非接触的探测方式可有效地避免了传统光学遥感和基于量子照明雷达中由于背景噪声导致的低信噪比和在饱和干扰攻击下无法工作的问题。进一步地，本发明所提供的探测方法无需对两个纠缠的子系统实施联合测量即可实现待测物体距离信息和图像信息的同时检测，且探测器响应波长不同于与待测物体相互作用的光波长，极大地降低了对探测器的要求。

Description

基于量子诱导相干的探测方法及装置
技术领域
本发明涉及量子测量技术领域，且特别涉及一种基于量子诱导相干的探测方法及装置。
背景技术
光学雷达作为一种光学遥感技术从二十世纪六十年代问世以来就被广泛应用在各个领域。它的原理和传统的微波或者无线电雷达探测一样，向探测的目标发射探测信号，再将反射回来的信号和发射信号进行对比和处理，得到探测目标的一系列参数。对于不同的目标有不同的反射率，使其具有目标识别的能力。对于不同的探测目标可以使用不同工作波长的光学雷达，以实现针对性的探测。光学雷达一般利用激光作为探测信号，由于激光的指向性好，脉冲可以很短，这使得光学雷达在成像和测距上拥有很高的精度。光学雷达可以获得更快更清晰的成像和更精准的测距精度，这让它在工业领域和军事领域等众多方向得到大力支持。目前，实验上已经有毫米量级的光学雷达探测器，在无人自动驾驶方面，激光雷达也承担着至关重要的作用。然而，受限于强烈的环境散射和噪声，光学雷达在弱信号提取方面仍有很大的缺陷，例如在沙尘暴等极端天气条件下，激光雷达将难以使用。另外，环境中例如太阳光的其他光源，易对信号产生干扰。
量子纠缠由于其独特的非定域性质，常被用来在弱信号探测上提高探测信噪比。在光学遥感和测距(LiDAR)领域，基于量子照明的测距技术便巧妙地利用联合测量技术将微弱信号从噪声中有效地区分开来。在此类量子遥感技术中，一般将一束探测光出射以探测待测物体，而另一束与探测光纠缠的参考光留在本地。由于量子关联提供了额外的维度使我们有方法把探测光子从反射回来的嘈杂的背景中分辨出来。通过设计对反射回来的探测光和本地的参考光进行双光子符合计数探测，可以获得比经典探测手段更多的来自待测物体的信息。然而，现有的这种基于联合测量(joint measurement)的量子雷达技术要求探测器具有高量子效率，高时间分辨，高饱和计数。受制于光电探测器的现有技术水平，此类量子雷达的测距精度只能达到毫米级，而且也仅能在极弱光条件下显示其相较于经典雷达的量子优势。此外，它仍然需要探测来自待测物体的反射光，这导致它在极大噪声环境下和遭受致盲攻击时失去工作能力。
发明内容
本发明为了克服现有技术的不足，提供一种基于量子诱导相干的探测方法及装置。
为了实现上述目的，本发明提供一种基于量子诱导相干的探测方法，其包括：
泵浦光泵浦纠缠光源发生第一次自发参量下转换以获得第一混合光，第一混合光包括泵浦光以及相互纠缠的第一参考光和第一探测光；
从第一混合光中分离出第一探测光和第一参考光，将第一探测光照射到待测物体并将第一参考光照射至位于本地位移台上的参考光反射镜；
第一探测光被待测物体部分反射，携带待测物体信息并原路返回至纠缠光源，第一参考光被参考光反射镜原路反射至纠缠光源，泵浦光被泵浦光反射镜原路反射回纠缠光源以发生第二次自发参量下转换获得第二混合光，第二混合光包括相互纠缠的第二参考光和第二探测光、相互纠缠的第一探测光和第一探测光以及泵浦光；其中，第一参考光和第二参考光空间模式重合，第一探测光和第二探测光空间模式重合；
从第二混合光中分离出第一参考光和第二参考光；
将分离出的第一参考光和第二参考光照射至参考光探测器上；
调整本地位移台以扫描第一参考光的光程，获取参考光探测器上两束参考光干涉条纹可见度最大时的本地位移台参数以得到待测物体的距离信息；并根据参考光探测器上不同位置的干涉条纹可见度获得待测物体的图像信息。
根据本发明的一实施例中，当待测物体对第一探测光只有一个反射面时，根据干涉条纹可见度最大时的本地位移台参数得到待测物体距离纠缠光源的距离信息；
当待测物体对第一探测光有多个反射面时，本地位移台的移动会使参考光探测器上出现多次干涉条纹可见度最大时刻；根据多次干涉条纹可见度最大时的本地位移台参数得到待测物体的厚度信息。
根据本发明的一实施例中，两束参考光的波长相等且两束探测光的波长亦相等，探测光的波长和参考光的波长不相等，探测光和参考光的波长均连续可调。
另一方面，本发明还提供一种基于量子诱导相干的探测装置，其包括泵浦光源、纠缠光源、发射接收光学组件、测量光学组件。
泵浦光源泵浦纠缠光源以发生第一次自发参量下转换以获得第一混合光，第一混合光包括泵浦光以及相互纠缠的第一参考光和第一探测光。
发射接收光学组件从第一混合光中分离出第一参考光、第一探测光以及泵浦光，第一探测光照向待测物体并被待测物体部分反射，携带待测物体信息并原路返回至纠缠光源；第一参考光被位于本地位移台上的参考光反射镜原路反射至纠缠光源；泵浦光被泵浦光反射镜原路反射回纠缠光源以发生第二次自发参量下转换而产生第二混合光；第二混合光包括相互纠缠的第二参考光和第二探测光、相互纠缠的第一探测光和第一探测光以及泵浦光；其中，第一参考光和第二参考光空间模式重合，第一探测光和第二探测光空间模式重合。
测量光学组件从第二混合光中分离出第一参考光和第二参考光并照射至参考光探测器上；调整本地位移台以扫描第一参考光的光程，获取参考光探测器上两束参考光干涉条纹可见度最大时的本地位移台参数以得到待测物体的距离信息并根据参考光探测器上不同位置的干涉条纹可见度获得待测物体的图像信息。
根据本发明的一实施例中，发射接收光学组件包括：抛物面镜、第一二向分色镜、泵浦光反射镜、第二二向分色镜、位移台以及位于位移台上的参考光反射镜。
抛物面镜准直纠缠光源产生的第一混合光并将第一混合光反射至第一二向分色镜；
第一二向分色镜将第一混合光中的泵浦光反射至泵浦光反射镜；
第一参考光和第一探测光透过第一二向分色镜射到第二二向分色镜；
第二二向分色镜反射第一探测光至待测物体待测物体；
第一参考光透过第一二向分色镜射到本地位移台上的参考光反射镜；
第一探测光被待测物体原路反射、第一参考光被参考光反射镜原路反射、泵浦光被泵浦光反射镜原路反射，三者经抛物面镜收集后原路反射至纠缠光源。
根据本发明的一实施例中，泵浦光反射镜、待测物体以及参考光反射镜三者均大致位于抛物面镜的傅里叶平面上。
根据本发明的一实施例中，根据本发明的一实施例中，测量光学组件包括第三二向分色镜、透镜滤光片以及参考光探测器；
第三二向分色镜从纠缠光源射出的第二混合光中反射出第一参考光和第二参考光；
透镜收集经第三二向分色镜反射所得到的第一参考光和第二参考光；
滤光片设置于参考光探测器前，所述滤光片滤除其它干扰光以使第一参考光和第二参考光进入参考光探测器；
参考光探测器用于测量第一参考光和第二参考光之间的干涉。
根据本发明的一实施例中，参考光探测器的感光面大致位于透镜的傅里叶平面上。
根据本发明的一实施例中，泵浦光源为带有光隔离器的光源，基于量子诱导相干的探测装置还包括设置于泵浦光源和第三二向分色镜之间用以调整偏振的波片。
综上所述，本发明提供的基于量子诱导相干的探测方法及装置中，形成干涉以产生检测信息的两束参考光均不直接接触待测物体，是一种非接触的探测方式，可有效地避免了传统光学遥感和量子照明雷达中由于背景噪声导致的低信噪比和容易遭受饱和攻击的缺点。进一步的，本发明所提供的探测方法无需对两个纠缠的子系统实施联合测量即可实现待测物体距离信息和图像信息的同时检测，极大地降低了对探测器的要求。而且，与待测物体相互作用的探测光与最终测量的参考光是不同的波长，这意味着我们发明的光学雷达可以在探测器无法相应的波段工作。
为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。
附图说明
图1所示为本发明一实施例提供的基于量子诱导相干的探测方法的流程示意图。
图2所示为本发明一实施例提供的基于量子诱导相干的探测装置的结构示意图。
具体实施方式
量子纠缠通过非线性晶体的自发参量下转换过程以产生一系列纠缠光子对。由于在晶体内要满足能量守恒，产生的纠缠光子的波长具有关系：其中短波部分λs为信号光(signal)，长波部分λi为闲置光(idler)。在量子测距中，一束光作为探测光，另一束光作为参考光。本实例中将长波的闲置光出射，用以探测待测物体的存在和测距；而短波信号光留在本地作为参考光。现有量子照明测距技术是基于对参考光和探测光的联合测量(joint measurement)，利用两者之间的关联特性，实现优于经典方式的雷达信号提取。受限于光子计数的探测策略，量子优势仅在弱信号水平下体现。受限于探测器性能，现有的测距分辨率只停留在毫米量级。并且由于仍然需要探测来自待测物体的反射光，在大噪声环境和受到饱和式干扰攻击的情况下，无法正常工作。
有鉴于此，本发明提供一种基于量子诱导相干的探测方法，其包括：泵浦光泵浦纠缠光源发生第一次自发参量下转换以获得第一混合光，所述第一混合光包括泵浦光以及相互纠缠的第一参考光和第一探测光(步骤S10)。从第一混合光中分离出第一探测光和第一参考光，将第一探测光照射到待测物体并将第一参考光照射至位于本地位移台上的参考光反射镜(步骤S20)。第一探测光被待测物体部分反射，携带待测物体信息并原路返回至纠缠光源，第一参考光被参考光反射镜原路反射至纠缠光源，泵浦光被泵浦光反射镜原路反射回纠缠光源以发生第二次自发参量下转换获得第二混合光(步骤S30)。第二混合光包括相互纠缠的第二参考光和第二探测光、相互纠缠的第一探测光和第一探测光以及泵浦光；其中，第一参考光和第二参考光空间模式重合，第一探测光和第二探测光模式重合。从第二混合光中分离出第一参考光和第二参考光(步骤S40)。将分离出的第一参考光和第二参考光照射至参考光探测器上(步骤S50)。调整本地位移台以扫描第一参考光的光程，获取参考光探测器上两束参考光干涉条纹可见度最大时的本地位移台参数以得到待测物体的距离信息；并根据参考光探测器上不同位置的干涉条纹可见度获得待测物体的图像信息(步骤S60)。
基于量子诱导相干的原理，两次自发参量下转换所获得的具有两个路径信息的参考光(第一参考光和第二参考光)为物理上无法区分的同一类型光(即所谓的路径信息不可区分)。在本发明中为方便描述，以第一参考光和第二参考光的方式来命名两路具有不同路径信息的参考光。同样的，两次自发参量下转换所获得的具有两个路径信息的探测光(第一探测光和第二探测光)亦为物理上无法区分的同一类型光，在本发明中也是为了描述方便而将两束探测光分别命名为第一探测光和第二探测光。
本实施例提供的基于量子诱导相干的探测方法将纠缠光源第一次自发参量下转换获得的第一探测光射向待测物体，并将其部分反射光和留在本地的与其相纠缠的第一参考光混同泵浦光再次返回至纠缠光源中，与被原路反射回纠缠光源的泵浦光泵浦所产生的第二探测光和第二参考光发生量子诱导相干。根据第一探测光和第一参考光之间的动量反关联特性，携带在第一探测光上的待测物体路径信息也同样共享于本地的第一参考光内；即实现了探测信号从易受干扰的第一探测光到位于本地的且洁净的第一参考光上的拷贝。在此基础上，第一探测光和第二探测光在纠缠光源内空间模式完全重合，第一参考光和第二参考光在纠缠光源内空间模式完全重合。该设置使得两束探测光(指的是第一探测光和第二探测光)的路径信息相互不可区分，两束参考光(指的是第一参考光和第二参考光)的路径信息也相互不可区分；从而产生干涉，干涉条纹可见度与待测物体对第一探测光振幅的反射率成正比。两束参考光在参考光探测器上的干涉条纹可见度最大时，本地位移台上的参考光反射镜到纠缠光源的距离与待测物体到纠缠光源的距离相等。故可通过移动本地位移台扫描第一参考光的光程来调整干涉条纹可见度，进而实现对待测物体的测距。
本实施例提供的基于量子诱导相干的探测方法并不直接采用与待测物体直接接触的第一探测光来形成干涉信号，而是基于量子纠缠特性将第一探测光上携带的待测物体信息拷贝到存储于本地的不与待测物体接触的第一参考光上以形成非接触式测距，有效避免了背景噪声所带来的低信噪比和容易受到饱和式干扰攻击影响的问题。而两束参考光的干涉和本地位移台对于第一参考光光程的扫描则使得本实施例提供的基于量子诱导相干的探测方法无需联合测量两个纠缠子系统即可探测到待测物体的距离。而且与待测物体相互作用的探测光和在参考光探测器上发生干涉的参考光波长不同且两者均可调；该设置极大地降低了测量难度和对参考光探测器性能的要求，参考光探测器选型范围更广且成本亦可得到更好的控制。进一步的，基于参考光和探测光之间的动量反关联，本实施例提供的基于量子诱导相干的探测方法可同时实现待测物体的距离信息和轮廓上图像信息的同步检测。
此外，不同于以往雷达中使用的单点探测器，本实例中参考光探测器为面阵相机，其接收到的是一个具有二维结构的图像且图像上的不同位置对应于不同波长组合的纠缠光子对。在受到高光谱功率密度的激光的饱和式致盲攻击时，只有达到严格相位匹配，攻击光束才能与泵浦光一起引发受激参量下转换而在参考光探测器上产生一明亮点，但对其他区域不产生明显影响。严格相位匹配的受激参量下转换的饱和攻击出现的概率很低，即使出现这种干扰情况，本实施例提供的基于量子诱导相干的探测方法亦可通过改变晶体位置几何参数，比如转动角度，或者改变温度，均可以有效抹除这样的饱和攻击。
对于待测物体的距离信息，其包括待测物体距离纠缠光源的距离和待测物体的厚度。具体的，当待测物体对于第一探测光只有一个反射面时，移动本地位移台扫描第一参考光的光程时参考光探测器上仅能检测到一次干涉条纹可见度最大，基于此时的本地位移台参数可得到待测物体距离纠缠光源的距离信息。而当待测物体对于第一探测光有多个反射面时，由于探测光会穿透待测物体，在每个反射面都会产生反射。因此，本地位移台的移动会使参考光探测器上出现多次干涉条纹可见度最大时刻，基于每次干涉条纹可见度最大时的本地位移台参数即可得到待测物体的厚度信息。
于本实施例中，两束参考光(第一参考光和第二参考光)的波长相等，且两束探测光(第一探测光和第二探测光)的波长亦相等，探测光的波长长于参考光的波长且探测光和参考光的波长均连续可调。具体的，其中纠缠光源所产生的两束参考光的光谱可以由可见光覆盖到红外波段。宽的光谱范围使得参考光只有较短的相干长度，只有当第一参考光从纠缠光源射出到再次回到纠缠光源所历经的光程等于第一探测光从纠缠光源射出到再次回到纠缠光源所历经的光程时，干涉才会发生。然而，基于量子纠缠特性，参考光和探测光第一探测光允许在任何维度上不同，本发明对此不作任何限定。
基于泵浦光的泵浦，步骤S10中纠缠光源第一次自发参量下转换获得的是包括泵浦光、第一参考光以及第一探测光的第一混合光。在执行步骤S20之前需要分离第一探测光和第一参考光。具体的，可通过设置两个二向分色镜来实现。同样的，在步骤S40中亦可通过设置一个二向分色镜来从第二混合光中分离出两束参考光(第一参考光和第二参考光)。
与上述基于量子诱导相干的探测方法相对应的，如图2所示，本实例提供一种基于量子诱导相干的探测装置，其包括泵浦光源1、纠缠光源3、发射接收光学组件4、测量光学组件5。具体的，基于泵浦光源1的泵浦，纠缠光源3发生第一次自发参量下转换以产生相互纠缠的第一探测光和第一参考光。于本实施例中，泵浦光源1输出的泵浦光为中心频率为532nm的线宽为10kHZ绿色激光。纠缠光源3所采用的非线性晶体为长20mm，宽1mm，高1mm的type-0型的周期性极化铌酸锂晶体(PPLN)。然而，本发明对此不作任何限定。于其它实施例中，泵浦光为的中心频率和线宽亦可根据探测需求进行调整；同样的，纠缠光源3也可采用其它材料制成的非线性晶体，其尺寸亦可根据需要进行调整。
于本实施例中，泵浦光源1为带有光隔离器的光源，其还包括用以调整泵浦光偏振的波片6。在应用时，将泵浦光源1出射的激光准直在光学平台上并经过光隔离器，光隔离器可以防止反射回来的光对泵浦光源1造成损害。经过波片6进行偏振调整后泵浦光准直的打入纠缠光源3内。于本实施例中，准直打入纠缠光源3的泵浦光直径为0.42mm。于本实施例中，纠缠光源3被安装在恒温台内，其目的是为了控制纠缠光源3的温度以使纠缠光源3满足不同的相位匹配条件。优选地，设置纠缠光源3的温度在146.4摄氏度以获得893nm的参考光和1316nm的探测光。然而，本发明对此不作任何限定。
发射接收光学组件4从纠缠光源3产生的第一混合光中分离出照射到待测物体10的第一探测光、照射至本地位移台上的参考光反射镜45的第一参考光以及照射至泵浦光反射镜43的泵浦光。基于待测物体10、参考光反射镜45以及泵浦光反射镜43的反射，部分第一探测光、第一参考光以及泵浦光原路返回至纠缠光源3内。原路返回的泵浦光二次泵浦纠缠光源以产生包括泵浦光、第一探测光、第一参考光、第二探测光以及第二参考光的第二混合光。
具体的，如图2所示，发射接收光学组件4包括抛物面镜41、第一二向分色镜42、泵浦光反射镜43、第二二向分色镜44、和位于位移台上的参考光反射镜45。抛物面镜41用于准直从纠缠光源3产生的第一参考光和第一探测光，并将第一混合光反射至第一二向分色镜42。此外，抛物面镜41还用于收集原路反射回来的部分第一参考光、第一探测光以及泵浦光。第一二向分色镜42从第一混合光中把泵浦光反射至泵浦光反射镜43。第一参考光和第一探测光透过第一二向分色镜42射到第二二向分色镜44。第二二向分色镜44反射第一探测光至致大致位于抛物面镜41的傅里叶平面上的待测物体10。第一参考光透过第二二向分色镜44射到位于本地位移台上的参考光反射镜45上。部分第一探测光被待测物体10原路反射至纠缠光源3；第一参考光被参考光反射镜45原路反射至纠缠光源3；泵浦光被泵浦光反射镜43原路反射至纠缠光源3，第二次泵浦纠缠光源3以产生第二参考光和第二探测光。泵浦光、第一参考光、第一探测光、第二参考光和第二探测光构成第二混合光。然而，本发明对发射接收光学组件的具体结构以及各部件的放置位置不作任何限定；其它能从第一混合光中分离出第一探测光和第一参考光以使两者分别射向待测物体和参考光反射镜的发射接收光学组件的结构均在本发明的保护范围内。
于本实施中，测量光学组件5包括第三二向分色镜51、透镜52、滤光片53以及参考光探测器54。第三二向分色镜51从第二混合光中反射出第一参考光和第二参考光。透镜52用来收集被反射的第一参考光和第二参考光。滤光片53放置于参考光探测器54之前，滤除其它不想要被探测的光波长，确保仅有两束参考光进入参考光探测器54。参考光探测器54用于测量第一参考光和第二参考光之间的干涉。
于本实施例中，泵浦光反射镜43、待测物体10以及参考光反射镜45三者均大致位于抛物面镜41的傅里叶平面上；参考光探测器54的感光面亦大致位于透镜52的傅里叶平面上。该设置可使参考光探测器54上获得的干涉条纹具有最佳横向分辨率。然而，本发明对此不作任何限定。
基于装有参考光反射镜45的本地位移台对第一参考光光程的扫描，获取参考光探测器54上两束参考光干涉条纹可见度最大时的位移台的参数以得到待测物体10的距离信息；并基于参考光探测器54上不同位置的干涉条纹强度获得待测物体10的图像信息。具体的，当获得干涉条纹可见度最大时的位移台的参数后，可通过实际测量或其它光程测量方式来测量本地位移台至纠缠光源3的距离，进而得到待测物体10至纠缠光源3的距离。而对于待测物体表面轮廓检测，由于参考光和探测光动量的反关联特性，记录参考光探测器上不同位置的干涉条纹可见度最大值，不同位置的干涉条纹可见度最大值对应于待测物体不同位置对第一探测光的反射率，即待测物体图像。
综上所述，本发明提供的基于量子诱导相干的探测方法及装置中，形成干涉以产生检测信息的两束参考光均不直接接触待测物体，是一种非接触的探测方式，可有效地避免了传统光学遥感和量子照明雷达中由于背景噪声导致的低信噪比和容易遭受饱和攻击的缺点。进一步地，本发明所提供的探测方法无需对两个纠缠的子系统实施联合测量即可实现待测物体距离信息和图像信息的同时检测，极大地降低了对探测器的要求。而且，与待测物体相互作用的探测光与最终测量的参考光是不同的波长，这意味着我们发明的光学雷达可以在探测器无法相应的波段工作。
虽然本发明已由较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟知此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所要求保护的范围为准。

Claims (9)

1.一种基于量子诱导相干的探测方法，其特征在于，包括：
泵浦光泵浦纠缠光源发生第一次自发参量下转换以获得第一混合光，所述第一混合光包括泵浦光以及相互纠缠的第一参考光和第一探测光；
从第一混合光中分离出第一探测光和第一参考光，将第一探测光照射到待测物体并将第一参考光照射至位于本地位移台上的参考光反射镜；
第一探测光被待测物体部分反射，携带待测物体信息并原路返回至纠缠光源，第一参考光被参考光反射镜原路反射至纠缠光源，泵浦光被泵浦光反射镜原路反射回纠缠光源以发生第二次自发参量下转换获得第二混合光，所述第二混合光包括相互纠缠的第二参考光和第二探测光、相互纠缠的第一探测光和第一探测光以及泵浦光；其中，第一参考光和第二参考光空间模式重合，第一探测光和第二探测光空间模式重合；
从第二混合光中分离出第一参考光和第二参考光；
将分离出的第一参考光和第二参考光照射至参考光探测器上；
调整本地位移台以扫描第一参考光的光程，获取参考光探测器上两束参考光干涉条纹可见度最大时的本地位移台参数以得到待测物体的距离信息；并根据参考光探测器上不同位置的干涉条纹可见度获得待测物体的图像信息。
2.根据权利要求1所述的基于量子诱导相干的探测方法，其特征在于，
当待测物体对第一探测光只有一个反射面时，根据干涉条纹可见度最大时的本地位移台参数得到待测物体距离纠缠光源的距离信息；
当待测物体对第一探测光有多个反射面时，本地位移台的移动会使参考光探测器上出现多次干涉条纹可见度最大时刻；根据多次干涉条纹可见度最大时的本地位移台参数得到待测物体的厚度信息。
3.根据权利要求1所述的基于量子诱导相干的探测方法，其特征在于：
两束参考光的波长相等且两束探测光的波长亦相等，探测光的波长和参考光的波长不相等，探测光和参考光的波长均连续可调。
4.一种基于量子诱导相干的探测装置，其特征在于：包括泵浦光源、纠缠光源、发射接收光学组件、测量光学组件；
泵浦光源，泵浦纠缠光源以发生第一次自发参量下转换以获得第一混合光，所述第一混合光包括泵浦光以及相互纠缠的第一参考光和第一探测光；
发射接收光学组件，从第一混合光中分离出第一参考光、第一探测光以及泵浦光，第一探测光照向待测物体并被待测物体部分反射，携带待测物体信息并原路返回至纠缠光源；第一参考光被位于本地位移台上的参考光反射镜原路反射至纠缠光源；泵浦光被泵浦光反射镜原路反射回纠缠光源以发生第二次自发参量下转换而产生第二混合光；所述第二混合光包括相互纠缠的第二参考光和第二探测光、相互纠缠的第一探测光和第一探测光以及泵浦光；其中，第一参考光和第二参考光空间模式重合，第一探测光和第二探测光空间模式重合；
测量光学组件，从第二混合光中分离出第一参考光和第二参考光并照射至参考光探测器上；调整本地位移台以扫描第一参考光的光程，获取参考光探测器上两束参考光干涉条纹可见度最大时的本地位移台参数以得到待测物体的距离信息并根据参考光探测器上不同位置的干涉条纹可见度获得待测物体的图像信息。
5.根据权利要求4所述的基于量子诱导相干的探测装置，其特征在于：所述发射接收光学组件包括：抛物面镜、第一二向分色镜、泵浦光反射镜、第二二向分色镜、位移台以及位于位移台上的参考光反射镜；
抛物面镜准直纠缠光源产生的第一混合光并将第一混合光反射至第一二向分色镜；
第一二向分色镜将第一混合光中的泵浦光反射至泵浦光反射镜；
第一参考光和第一探测光透过第一二向分色镜射到第二二向分色镜；
第二二向分色镜反射第一探测光至待测物体待测物体；
第一参考光透过第一二向分色镜射到本地位移台上的参考光反射镜；
第一探测光被待测物体原路反射、第一参考光被参考光反射镜原路反射、泵浦光被泵浦光反射镜原路反射，三者经抛物面镜收集后原路反射至纠缠光源。
6.根据权利要求5所述的基于量子诱导相干的探测装置，其特征在于：泵浦光反射镜、待测物体以及参考光反射镜三者均大致位于抛物面镜的傅里叶平面上。
7.根据权利要求4所述的基于量子诱导相干的探测装置，其特征在于，所述测量光学组件包括第三二向分色镜、透镜、滤光片以及参考光探测器；
第三二向分色镜从纠缠光源射出的第二混合光中反射出第一参考光和第二参考光；
透镜收集经第三二向分色镜反射所得到的第一参考光和第二参考光；
滤光片设置于参考光探测器前，所述滤光片滤除其它干扰光以使第一参考光和第二参考光进入参考光探测器；
参考光探测器用于测量第一参考光和第二参考光之间的干涉。
8.根据权利要求7所述的基于量子诱导相干的探测装置，其特征在于，参考光探测器的感光面大致位于透镜的傅里叶平面上。
9.根据权利要求7所示的基于量子诱导相干的探测装置，其特征在于，所述泵浦光源为带有光隔离器的光源，基于量子诱导相干的探测装置还包括设置于泵浦光源和第三二向分色镜之间用以调整偏振的波片。
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Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB0327755D0 (en) * 2003-12-01 2003-12-31 Elliott Stephen R Optical-sensor chip
CA2680245A1 (en) * 2007-03-08 2008-09-12 Qutools Gmbh Generation of quantum-correlated and/or polarization-entangled photon pairs with unequal wavelengths
CN102501978A (zh) * 2011-11-02 2012-06-20 中国科学院西安光学精密机械研究所 利用量子纠缠态光实现全天候飞机着陆或着舰的方法及系统
CN108919285A (zh) * 2018-05-15 2018-11-30 东北石油大学 基于纠缠相干态的超分辨率和超灵敏度测距系统
CN109656078A (zh) * 2019-01-29 2019-04-19 电子科技大学 一种能量-时间纠缠双光子产生方法
CN110501307A (zh) * 2019-07-23 2019-11-26 中国计量大学 基于量子增强的光纤表面等离子体共振折射率传感器
CN112904351A (zh) * 2021-01-20 2021-06-04 重庆邮电大学 一种基于量子纠缠光关联特性的单源定位方法
WO2021215479A1 (ja) * 2020-04-22 2021-10-28 国立大学法人京都大学 光源装置および光断層撮影システム
US11294040B1 (en) * 2021-05-10 2022-04-05 Optowaves, Inc. Time-of-interference light detection and ranging apparatus
CN114295203A (zh) * 2022-01-11 2022-04-08 四川大学 涡旋光束的涡旋强度测量装置及其测量方法
CN115153453A (zh) * 2022-09-06 2022-10-11 山西大学 一种量子增强的全光光声信号探测装置及方法
CN115236681A (zh) * 2022-07-14 2022-10-25 中国人民解放军战略支援部队信息工程大学 基于量子纠缠光子对的三维定位系统及定位方法
CN115981068A (zh) * 2023-01-16 2023-04-18 浙江大学嘉兴研究院 一种基于单根单极化周期铌酸锂薄膜波导的偏振纠缠态产生装置

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6882431B2 (en) * 2002-11-26 2005-04-19 Malvin C. Teich Quantum optical coherence tomography data collection apparatus and method for processing therefor
US20100208334A1 (en) * 2009-02-17 2010-08-19 Nucrypt, Inc. System and method for entangled photons generation and measurement
US8385548B2 (en) * 2009-02-17 2013-02-26 Nucrypt Llc System and method for entangled photons generation and measurement

Patent Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB0327755D0 (en) * 2003-12-01 2003-12-31 Elliott Stephen R Optical-sensor chip
CA2680245A1 (en) * 2007-03-08 2008-09-12 Qutools Gmbh Generation of quantum-correlated and/or polarization-entangled photon pairs with unequal wavelengths
CN102501978A (zh) * 2011-11-02 2012-06-20 中国科学院西安光学精密机械研究所 利用量子纠缠态光实现全天候飞机着陆或着舰的方法及系统
CN108919285A (zh) * 2018-05-15 2018-11-30 东北石油大学 基于纠缠相干态的超分辨率和超灵敏度测距系统
CN109656078A (zh) * 2019-01-29 2019-04-19 电子科技大学 一种能量-时间纠缠双光子产生方法
CN110501307A (zh) * 2019-07-23 2019-11-26 中国计量大学 基于量子增强的光纤表面等离子体共振折射率传感器
WO2021215479A1 (ja) * 2020-04-22 2021-10-28 国立大学法人京都大学 光源装置および光断層撮影システム
CN112904351A (zh) * 2021-01-20 2021-06-04 重庆邮电大学 一种基于量子纠缠光关联特性的单源定位方法
US11294040B1 (en) * 2021-05-10 2022-04-05 Optowaves, Inc. Time-of-interference light detection and ranging apparatus
CN114295203A (zh) * 2022-01-11 2022-04-08 四川大学 涡旋光束的涡旋强度测量装置及其测量方法
CN115236681A (zh) * 2022-07-14 2022-10-25 中国人民解放军战略支援部队信息工程大学 基于量子纠缠光子对的三维定位系统及定位方法
CN115153453A (zh) * 2022-09-06 2022-10-11 山西大学 一种量子增强的全光光声信号探测装置及方法
CN115981068A (zh) * 2023-01-16 2023-04-18 浙江大学嘉兴研究院 一种基于单根单极化周期铌酸锂薄膜波导的偏振纠缠态产生装置

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
A Navigation Ranging Scheme With True Random Entangled Microwave Signals;Xiang Li et al;IEEE Photonics Journal;全文 *
差分式自阻尼位移传感器传感特性研究;曾涛;王大伟;谭久彬;张钟华;曹观标;;仪器仪表学报(02);全文 *
频率非简并第I类自发参量下转换纠缠光子对量子特性;李百宏;王豆豆;张涛;刘伟;李永放;;光子学报(12);全文 *

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