CN1584535A - 一种测量弱光光源拍频的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量弱光光源拍频的方法及装置。该方法是：将激光衰减后分成两束，分别经过干涉滤光后输入两个单光子探测器，其中一路经过鉴别放大器后直接进入时副转换仪，另一路经过鉴别放大器后先经延时线，再输入时副转换仪；然后将时幅转换仪输出的信号输进多道分析仪，经过积累在多道分析仪上即可获得时域下光源的拍频数据，经过数值傅立叶分析后可以得到频域下弱光光源的拍频。本发明既可在不依赖于频谱分析仪的情况下，对弱光光源的拍频进行测量，又不受探测器和前置放大器的响应时间的限制。

Description

一种测量弱光光源拍频的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种对弱光光源的拍频进行测量的方法及装置。

背景技术

传统的测量光源拍频的方法的原理如下：一个探测器探测具有一定强度的光源，其输出的光电信号经过前置放大器后，由频谱分析仪通过电路进行分析，从而得到光源的拍频。其探测过程受到探测器、前置放大器和频谱分析仪的响应时间的限制，该方法所能测量的频率范围在GHz量级内。并且受到不可避免的散粒噪声的影响，该方法不能测量弱光。

1991年傅盘铭、米辛等人在《Optics Letters》第16卷第1526页-1528页上的文章“Observation of the beat between two independent light sourcesby a method of time-delayed laser-induceddouble gratings”提出了一种测量两个独立光源间的拍频的方法，其时间分辨率可达到10^-12秒的量级。但该方法需要一种三阶非线性介质，在介质中形成两套独立的光栅，因此通常需要高功率密度的脉冲激光光源。Z.Y.Ou和L.Mandel两人曾在1988年的《Physical Review Letters》第61卷第54页-57页上发表文章《Observation of spatial quantum beating with separated photodetectors》，提出用符合计数的测量方法测量参量下转换产生的光子对之间的拍频，其原理是利用参量下转换产生的光子对在时间上的相关性，改变光子对的光学路径的相对长度，测量符合计数，得到计数随光学路径差的变化曲线，进而得到拍频信息。这种方法所能测量的拍频频率可高达10⁵GHz，比探测器的响应频率高上千倍。但该方法要求两束光在时间上要相关，并且要扫描光学路径差。

由于以上几种方法的局限性，要想探测弱光的拍频，并且不受探测器、前置放大器和频谱分析仪响应时间的限制，需另寻办法。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种测量弱光光源拍频的方法；进一步地，还提供一种不依赖于频谱仪的测量弱光光源拍频的装置。

为实现上述目的，本发明一种测量弱光光源拍频的方法包括如下步骤：(i)将激光光源经过衰减器衰减成强度为单光子流的极弱光，再用分束器将弱光分成两束；(ii)将两束弱光经过滤光器滤掉杂散光后，分别引入第一单光子探测器和第二单光子探测器，对到达的光子做出响应并分别产生一个负脉冲电信号；(iii)所述负脉冲电信号分别经过第一鉴别放大器和第二鉴别放大器，并输出标准负NIM信号；(iv)将第二探测器输出的NIM信号引入延时线；(v)将第一探测器和第二探测器分别输出的NIM信号输入时幅转换仪，时幅转换仪对先后到达的NIM信号作出响应，输出一个正的矩形波信号；(vi)将该矩形波信号输进多道分析仪，每个信号作为一个计数根据幅度大小被分配到相应的道址上；(vii)经过积累得到多道分析仪上的计数分布直方图，即时域下的拍频曲线图；(viii)对拍频曲线图的数据进行数值傅立叶分析，得到频域下的拍频。

进一步地，所述衰减器为衰减片。

进一步地，所述滤光器为干涉滤光片。

进一步地，所述分束器为半透半反镜。

实现上述弱光光源的拍频测量的方法的一种测量弱光光源拍频的装置包括衰减器、分束器、第一衰减器、第二衰减器、第一滤光器、第二滤光器、第一单光子探测器、第二单光子探测器、第一鉴别放大器、第二鉴别放大器、延时线、时副转换仪和多道分析仪；衰减器的输出端与分束器的输入端相连，分束器的一个输出端与时副转换仪的一个输入端之间依次连接第一衰减器、第一滤光器、第一单光子探测器、第一鉴别放大器，分束器的另一个输出端与时副转换仪的另一个输入端之间依次连接第二衰减器、第二滤光器、第二单光子探测器、第二鉴别放大器、延时线，时副转换仪的输出端与多道分析仪的输入端相连；激光光源经过所述衰减器和分束器后，成为两束单光子流的弱光，其中一束弱光经所述第一滤光器后滤掉杂散光，经所述第一单光子探测器后产生一个负脉冲信号，再经所述第一鉴别放大器后输出一个标准的负NIM信号，最后输入到所述时副转换仪；另一束弱光经过所述第二滤光器后滤掉杂散光，经所述第二单光子探测器后产生一个负脉冲信号，再经所述第二鉴别放大器后输出一个标准的负NIM信号，并经延时线后输入所述时副转换仪；所述时副转换仪对先后到达的NIM信号作出响应，并输出一个正的矩形波信号，最后输入所述多道分析仪。

进一步地，所述衰减器为衰减片。

进一步地，所述滤光器为干涉滤光片。

进一步地，所述分束器为半透半反镜。

本发明既可在不依赖于频谱分析仪的情况下，对弱光光源的拍频进行测量，又不受探测器和前置放大器的响应时间的限制。对于现有的一般技术水平，若多道分析仪的档取8k道址，时幅转换仪量程选为最小的50ns，则多道分析仪的每个道址对应着约10ps的延时，可测量的拍频频率能达到几十GHz的量级。

附图说明

图1是自相关运算原理图；

图2是本发明弱光光源拍频的测量装置结构示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对实施例作进一步详述：

本发明的原理是：如图1所示，利用相关函数C₁₂(τ)＝∫I₁(t)I₂(t+τ)dt的特性，即相关运算是比较两个函数I₁(t)和I₂(t)的相似性，在相似处会出现峰值。定义两个量子光场的二阶相干函数为

C₁₂(τ)＝<:I₁(t)I₂(t+τ):>，        (1)其中I_i(t)为光场强度，i＝1或2。经过推导可得，

C₁₂(τ)∝cos[(ω₁-ω₂)τ]。         (2)式中，ω₁、ω₂为光场的角频率，ω₁-ω₂即为两光场的拍频。若一束光含有多个频率的光场，那么，自相关运算C₁₁(τ)＝∫I₁(t)I₁(t+τ)dt的结果将包含光强随时间变化的信息，即拍频信息。

用时幅转换仪和多道分析仪对一束光进行测量时，可以证明该测量为自相关测量。时幅转换仪是这样一个装置：其Start端和Stop端分别接收到具有相对延迟时间τ的两个输入信号后，输出给多道分析仪一个幅度与延迟时间τ成正比的正的矩形波信号。如果时幅转换仪的Start端接收到一信号后，在接收到下一个信号前，Stop端没有接收到信号，则时幅转换仪无信号输出。如果时幅转换仪的Start端接收到一信号，在接收到下一个信号前，Stop端接收到多个信号，则时幅转换仪只对第一个Stop信号响应，输出一个正的矩形波信号。

多道分析仪为一个将幅度不等的正信号作为计数对应地分配到不同道址上的装置。多道分析仪的道址与信号幅度成正比关系，即与时幅转换仪接收到的一对信号的相对延迟时间τ成正比。所以，经过一段时间的积累，多道分析仪上显示的计数与道址的关系就是计数与延迟时间τ的关系。

设时幅转换仪的Start端在t时刻接收到一个光电信号的概率为P₁(t)，在t+τ时刻Stop端接收到一个光电信号的概率为P₂(t+τ)，多道分析仪上对应延时为τ的道址宽度为2τ_c，则在t时刻该道址记录一个计数后，在Δt时间内增加一个计数的概率为：

$P_{12}\left(\mathrm{\&tau;}\right)={\&Integral;}_T^{T+\mathrm{\&Delta;T}}\mathrm{dt}{\&Integral;}_{-t_c}^{t_c}{P}_1\left(t\right)P_2(t+\mathrm{\&tau;}+t^{\&prime;}){\mathrm{dt}}^{\&prime;}.----\left(3\right)$

式中，

$P_i\left(t\right)={\mathrm{\&eta;}}_i{P}_i^{\&prime;}\left(t\right)$ (i＝1或2)，   (4)

其中η_i为第i个单光子探测器的探测效率，P_i′(t)为第i个单光子探测器在t时刻接收到一个光子的概率。这里，

$P_i^{\&prime;}\left(t\right)=D{I}_i\left(t\right)---\left(5\right)$

其中，D为比例常数，与被探测光的波长和所用单光子探测器的性质有关。所以有，

P₁₂(τ)＝∫P₁(t)P₂(t+τ)dt∝∫I₁(t)I₂(t+τ)dt。     (6)

可见，时幅转换仪和多道分析仪对一束光所作测量为自相关测量。所得结果含有时域下的拍频信息，进行数值傅立叶分析后即可获得频域下的拍频。

如图2所示，激光光源1是波长为632.8nm的He-Ne激光器，其产生的激光经过衰减片2后成为单分子流的弱光，再用632.8nm的半透半反镜3将光束分成两束，分别经过第一干涉滤光片41和第二干涉滤光片42滤掉杂散光后进入第一单光子探测器51和第二单光子探测器52；第一单光子探测器51和第二单光子探测器52以某一几率，即探测器对该波段光子的量子效率，对到达的光子作出响应，每次响应就对应给出一个负脉冲电流。负脉冲电流经过第一鉴别放大器61和第二鉴别放大器62后，输出相应的标准NIM信号。第一鉴别放大器输出的NIM信号直接输进时幅转换仪8的Start一端，第二鉴别放大器输出的NIM信号经过延时线7后，输入时幅转换仪8的Stop一端。时幅转换仪8对先后到达的NIM信号(一个Start信号对应一个Stop信号)作出响应，每响应一次就对应给出一个正的矩形波信号，其幅度的大小与Stop信号相对Start信号的延迟时间成正比。该矩形波信号输入多道分析仪9后，根据信号幅度大小将被分到一个对应的道址上，作为一个计数。幅度不等的矩形波信号分到对应的不同道址上，幅度相等的矩形波信号将被分到对应的同一个道址上。经过一段时间的积累，在多道分析仪9上就形成时域下的拍频图像，最后再经过数值傅立叶分析就可得到频域下光源的拍频。

本发明对其它的激光光源同样适用。

Claims (8)

1、一种测量弱光光源拍频的方法，其特征在于，包括如下步骤：(i)将激光光源经过衰减器衰减成强度为单光子流的极弱光，再用分束器将弱光分成两束；(ii)将两束弱光经过滤光器滤掉杂散光后，分别引入第一单光子探测器和第二单光子探测器，对到达的光子做出响应并分别产生一个负脉冲电信号；(iii)所述负脉冲电信号分别经过第一鉴别放大器和第二鉴别放大器，并输出标准负NIM信号；(iv)将第二探测器输出的NIM信号引入延时线；(v)将第一探测器和第二探测器分别输出的NIM信号输入时幅转换仪，时幅转换仪对先后到达的NIM信号作出响应，输出一个正的矩形波信号；(vi)将该矩形波信号输进多道分析仪，每个信号作为一个计数根据幅度大小被分配到相应的道址上；(vii)经过积累得到多道分析仪上的计数分布直方图，即时域下的拍频曲线图；(viii)对拍频曲线图的数据进行数值傅立叶分析，得到频域下的拍频。

2、根据权利要求1所述的一种测量弱光光源拍频的方法，其特征在于，所述衰减器为衰减片。

3、根据权利要求1所述的一种测量弱光光源拍频的方法，其特征在于，所述滤光器为干涉滤光片。

4、根据权利要求1所述的一种测量弱光光源拍频的方法，其特征在于，所述分束器为半透半反镜。

5、一种测量弱光光源拍频的装置，其特征在于，包括衰减器、分束器、第一衰减器、第二衰减器、第一滤光器、第二滤光器、第一单光子探测器、第二单光子探测器、第一鉴别放大器、第二鉴别放大器、延时线、时副转换仪和多道分析仪；衰减器的输出端与分束器的输入端相连，分束器的一个输出端与时副转换仪的一个输入端之间依次连接第一衰减器、第一滤光器、第一单光子探测器、第一鉴别放大器，分束器的另一个输出端与时副转换仪的另一个输入端之间依次连接第二衰减器、第二滤光器、第二单光子探测器、第二鉴别放大器、延时线，时副转换仪的输出端与多道分析仪的输入端相连；激光光源经过所述衰减器和分束器后，成为两束单光子流的弱光，其中一束弱光经所述第一滤光器后滤掉杂散光，经所述第一单光子探测器后产生一个负脉冲信号，再经所述第一鉴别放大器后输出一个标准的负NIM信号，最后输入到所述时副转换仪；另一束弱光经过所述第二滤光器后滤掉杂散光，经所述第二单光子探测器后产生一个负脉冲信号，再经所述第二鉴别放大器后输出一个标准的负NIM信号，并经延时线后输入所述时副转换仪；所述时副转换仪对先后到达的NIM信号作出响应，并输出一个正的矩形波信号，最后输入所述多道分析仪。

6、根据权利要求5所述的一种测量弱光光源拍频的装置，其特征在于，所述衰减器为衰减片。

7、根据权利要求5所述的一种测量弱光光源拍频的装置，其特征在于，所述滤光器为干涉滤光片。

8、根据权利要求5所述的一种测量弱光光源拍频的装置，其特征在于，所述分束器为半透半反镜。

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