CN2585203Y - 单光子探测器量子效率的绝对自身标定装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种单光子探测器的量子效率的绝对自身标定装置，是利用光参量下转换过程中产生的光子对在时间上的相关性，先将参量光束分为两路，然后引入相对延时，使同时产生的孪生光子先后进入单光子探测器，然后对探测器之后的电路分为三路，其中一路直接进入计数器得到探测器所探测到的光子的总计数率NA，另两路用电路方法引入和光路相当的相对延时，经符合电路后进入计数器，得到前后到达探测器的光子对之间的符合计数率NC。这样，即可在不需要任何其他探测器或者参照标准的情况下，获得探测器的量子效率η＝2NC/NA。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种不依赖于额外计量标准的单光子探测器量子效率的标定装置，尤指一种单光子探测器量子效率的绝对自身标定装置。
背景技术
所谓单光子探测器的量子效率是指流出探测器的光生电子流与入射光子流之比。在计量技术领域，在科学实验及光电检测领域，尤其是在未来的量子通信领域，单光子探测器的量子效率的标定工作有着极其重要的意义。传统的标定方法需要用一个高达3000多K的黑体辐射源作为计量标准，具有较大的测量不确定度。八十年代早期出现了以量子效率接近100％的硅光电二极管为标准探测器的自校准技术(参见《Applied Optics》上E.F.Zalewski和J.Geist以及E.F.Zalewski和C.R.Duda分别于1980年第19卷第1214-1216页和1983年第22卷第2867-2874页发表的文章)，但其测量不确定度依赖于二极管量子效率接近于100％的程度，所以存在较大缺陷。80年代以后，新提出一种不借助任何参考标准也不涉及单光子探测器其他指标的单光子量子效率的绝对标定方法。D.N.Klyshko在1980年的《Sov.J.Quantum Electronics》第10卷第1112-1118页上的文章给出了这种方法的理论基础之后，J.G.Rarity，K.D.Ridley等在1987年的《Applied Optics》第26卷第4616-4619页上的文章“Absolute Measurement ofDetector Quantum Efficiency Using Parametric Down Conversion”以及P.G.Kwiat，A.M.Steinberg等在1994年的《Applied Optics》第33卷第1844页-1853页上的文章“Absolute Efficiency and Time-Response Measurement of Single-PhotonDetectors”都是这种方法的实现，其基本原理是利用非线性光学过程——参量下转换过程中所产生的光子对的纠缠性质。
参见附图1，泵浦激光的一个光子在某些非线性光学晶体中在适当条件下产生一对光子，这一过程遵循能量守恒和动量守恒，即：
ωp＝ωs+ωi (1)
kp＝ks+ki (2)其中ω和k分别是光子频率和波矢，下标p，s，i分别对应于泵浦光(pump)和参量下转换产生的一对光子，即信号光(signal)和闲置光(idler)。由于(1)式所蕴涵的制约关系，当知道了泵浦光和任一出射光的信息后，就可以知道另一出射光的有关信息。由此发展起来的典型的绝对标定的装置如附图2，探测器A和探测器B用来分别捕获泵浦激光在非线性晶体中发生参量下转换过程所产生的一对光子。探测器B可以作为触发探测器，它的读数表明了一个闲置光子的存在，计数率设为NB。由于参量光子是成对产生的，因此在探测器A处必定也有一个信号光子(A也可以称为共轭探测器)，对于每一次被探测器B探测到的事件，通过符合电路来检测探测器A是否探测到相应的事件，符合计数率设为NC。因此可以推出，探测器A的量子效率ηA就等于符合计数率Nc与探测器B的计数率NB之比率，即
ηA＝NC/NB (3)
由上式可以看出，探测器A的量子效率的测定与探测器B的量子效率无关，也不需要任何其他的参考标准，所以这是一种绝对的标定方法。但是，从上面也可以看出，这种方法必须要两个探测器才能实现对一个探测器的量子效率的标定，因而在一定程度上限制了其应用面。
A.Czitrovszky，A.Sergienko等2000年在《Metrologia》第37卷第617-620页上发表的文章“Measurement of Quantum Efficiency Using Correlated Photon Pairsand a Single-Detector Technique”中提出了只需要一个探测器的绝对标定其量子效率的方案，但是该方案有两个缺陷。其一，要求探测器能够分辨是一个光子还是两个光子到达探测器光敏表面，这样该方法就只能适用于光电倍增管，不能应用于雪崩二极管单光子探测器(而这种类型的探测器的优势是波长范围可到近红外且量子效率高)，何况即使是对于光电倍增管，这一要求也是过分接近理想情况而很难达到。其二，他们的方法实际上是用光子流(photon flux)的概念代替前面讨论的绝对标定方法中的(在某一时间段内的)光子数(photonnumber)，从而用探测器在不同时间内分别对信号光子和闲置光子的响应，应用到类似上述绝对标定的计算中去。这种替代法测量的不是真正的信号光子和闲置光子的一一对应，忽视了泵浦激光源以及参量下转换过程稳定性的影响，因而本质上已经不再是一种绝对的标定方法了。
因此，需要这样一种装置，该装置只使用一个探测器即可实现对其自身量子效率的绝对标定，且能够最大范围地应用于各种类型的单光子探测器。
发明内容
本实用新型的目的是为了解决上述技术的不足之处而提供一种只使用一个探测器即可实现对其自身量子效率的绝对标定，且能够最大范围适用于各种类型的单光子探测器的单光子探测器量子效率的绝对自身标定装置。
本实用新型的目的可通过如下措施来实现：
一种单光子探测器量子效率的绝对自身标定装置，包括激光器、非线性晶体和单光子探测器；在非线性晶体的参量光光路上设反射镜，反射镜将用于产生参量下转换光子对的泵浦激光反射掉，然后在反射镜的透射光路上设置偏振分束器，由偏振分束器根据偏振态将参量光分成两个支路，在其中一条光路上设延时光路，再将这两支光路由另一个偏振分束器合并，光路合并后的出射光传播至单光子探测器；单光子探测器对先后到达其光敏面上的光子产生电脉冲信号，该脉冲信号分为三路，其中一路直接与计数电路相连进行总计数，另一路对脉冲信号由延时电路进行与光延时相同的延时，将延时后的脉冲信号与第三路脉冲信号输入符合电路，经符合后输出信号与计数电路相连进行计数，根据两个计数率即可得出单光子探测器量子效率的绝对自身标定值。
所述的延时光路由两平面镜组成，其中一平面镜的反射光为另一平面镜的入射光。
在合并光路用的偏振分束器与单光子探测器之间设干涉滤光片。
所述的符合电路为一逻辑与电路。
所述的延时光路的光延时Δt大于符合电路的时间窗口而小于等于非线性晶体中产生两对参量光子的时间间隔。
所述的单光子探测器输出的脉冲经放大鉴别器放大输出标准的NIM信号。
本实用新型的优点在于：本实用新型利用光参量下转换过程中产生的光子对在时间上的相关性，先将参量光束分为两路，然后引入相对延时，使同时产生的孪生光子先后进入单光子探测器，然后对探测器之后的电路分为三束，其中一路直接进入计数器得到探测器所探测到的光子的总计数率NA，另两路用电路方法引入和光路相当的相对延时，经符合电路后进入计数器，得到前后到达探测器的光子对之间的符合计数率NC；这样，即可在不需要任何其他探测器或者参照标准的情况下，获得探测器的量子效率，从而实现对单光子探测器量子效率的绝对自身标定。
附图说明
图1是公知的典型的非线性晶体参量下转换过程
图2是公知的探测器效率绝对标定方法流程图
图3是本实用新型的标定装置结构示意图
图4a、4b是本实用新型的电路部分的流程图
具体实施方式
本实用新型还将结合附图对实施例作进一步详述：
参见图3，为本实用新型的标定装置的结构示意图。
在非线性晶体2的参量光光路上设反射镜3，反射镜3将用于产生参量下转换光子对的泵浦激光反射掉，然后在反射镜3的透射光路上设置偏振分束器P14，由偏振分束器4根据偏振态将参量光分成两个支路，在其中一条光路上设延时光路5，再将这两支光路由另一个偏振分束器P24合并，光路合并后的出射光传播至单光子探测器7；单光子探测器7对先后到达其光敏面上的光子产生电脉冲信号，该脉冲信号分为三路，其中一路直接与计数电路9相连进行总计数，另一路对脉冲信号由延时电路10进行与光延时相同的延时，将延时后的脉冲信号与第三路脉冲信号输入符合电路11，经符合后输出信号与计数电路12相连进行计数，根据两个计数率即可得出单光子探测器量子效率的绝对自身标定值。
延时光路5由两平面镜组成，其中一平面镜的反射光为另一平面镜的入射光。
在合并光路用的偏振分束器P24与单光子探测器7之间设干涉滤光片6。
符合电路11为一逻辑与电路。
延时光路5的光延时Δt大于符合电路的时间窗口而小于等于非线性晶体2中产生两对参量光子的时间间隔。
单光子探测器7输出的脉冲经放大鉴别器8放大输出标准的NIM信号。
泵浦激光器1是波长为441.6nm的He-Cd激光器，其激光经过非线性晶体如BBO2，通过II型参量下转换过程产生的纠缠的简并光子对，信号光光子(寻常光，即o光)和闲置光光子(非寻常光，即e光)。使用441.6nm的45°全反镜3反射掉出射光中夹杂的泵浦激光，然后使信号光和闲置光同时进入偏振分束器P14，分别沿o、e光光路传播，利用两个平面反射镜5使o光光路光程比e光光路光程长Δt·c/n(c是真空光速，n是空气折射率)，这样使得原本同时产生的信号闲置光子对之间出现延时Δt，并通过另一个偏振分束器P24再将两条光路合并，闲置光、信号光光子经干涉滤光片6先后进入单光子探测器7。时间延时Δt要选择合适的值，要大于符合电路时间窗口而小于等于非线性晶体2中产生两对参量光子的时间间隔。单光子探测器7以某一几率η(即探测器对该波段光子的量子效率)对到达的光子做出响应，每次响应就对应给出一个负脉冲电流，进入本实用新型的电路部分。
图4给出本实用新型的电路部分的工作原理。图4a是考虑对于探测器依次对先后到达的两个光子都有了响应的情况，鉴别放大器8输出相应的前后两个标准NIM信号(前后时间间隔Δt)，并且分成三路输出：一路直接输出到计数器A9，得到计数NA＝2；第二、第三路送到符合电路11，但第三路先经过延时电路10Δt的电延时，它的两个NIM信号在时间上同时后移Δt。这样相对第二路电信号，形成了如附图中所示的情况，第三路上的前一个NIM信号和第二路上的后一个NIM信号在时间上重叠。这样当第二路信号和第三路信号同时进入符合电路11后，就输出一个标准NIM信号，计数器B12的计数进一位，得到NC＝1，表示探测器7成功探测到了同时产生的一对参量光子。图4b是考虑探测器7只是对先后到达的两个光子中的某一个做出了反应，只输出了一个负脉冲信号，于是放大鉴别器8只输出一个标准NIM信号的情况。对于第一条支路，计数器计数NA＝1，表征探测器7探测到一个光子。对于第三支路，在其中传输的NIM信号相对第二支路中传输的NIM信号在时间上有Δt的滞后，于是如图中所示，两条电路上没有在时间上同时出现的脉冲，符合电路11不输出NIM信号，计数器B12计数不变，NC＝0，表征探测器没有探测到同时产生的一对光子的全部(只探测到其中的一个光子)。
本实用新型的电路部分可采用公知电路。
如果探测器对前后到达的两个光子都没有响应，计数器A9不会计数，计数器B12当然也不计数。
这样根据计数器A9的计数和计数器B12的计数即可得出量子效率。这样就实现了一个典型的单光子探测器的量子效率的自绝对标定。
本实用新型的标定原理如下：
本实用新型所使用的光源最好是II型参量下转换过程所产生的简并的即相同波长、同一方向出射的信号、闲置光子对，由泵浦激光通过非线性晶体2如BBO晶体在适当的条件下产生。其光场偏振特性分别为：泵浦激光为非寻常extraodinary光，信号光为寻常ordinary光，闲置光为非寻常光。本实用新型先将泵浦光完全滤掉，让参量光完全通过，然后用一个偏振分束器4如格兰棱镜将波长简并的两束出射光根据其偏振态分成两个支路，分别设为信号光光路o和闲置光光路e。设单位时间内每束参量光子数为N，利用两个平面反射镜5在闲置光光路中设置光延时Δt，该光延时大于符合电路11时间窗口而小于等于非线性晶体2中产生两对参量光子的时间间隔，然后利用另一格兰棱镜4将两个光路合并为同一个光路，进入探测器7。探测器7接收到光子以后以某一量子效率η产生光生电流形成负脉冲输出，经鉴别放大器8后成为标准NIM信号，然后分成三路输出。第一路直接进入计数器A9，得到总的光子计数率
NA＝2N·η (4)其中η为待测探测器的量子效率；第三路通过电路延时芯片得到与光路相同的延时Δt，然后与第二路进行符合计数，得到符合计数
NC＝N·η·η (5)于是得到
η＝2 NC/NA (6)
以上参照作为例子给出的、结合附图说明的实施例，更详细地描述本实用新型。虽然以上描述涉及到特定波长的泵浦激光，但是本领域的普通技术人员都懂得本实用新型可以广泛应用于其他波长的激光，也适用于目前应用的各种单光子探测器。
Claims (6)
1、一种单光子探测器量子效率的绝对自身标定装置，包括激光器(1)、非线性晶体(2)和单光子探测器(7)；其特征在于在非线性晶体(2)的参量光光路上设反射镜(3)，然后在反射镜(3)的透射光路上设置偏振分束器(4)，由偏振分束器(4)将参量光分成两个支路，在其中一条光路上设延时光路，再将这两支光路由另一个偏振分束器(4)合并，光路合并后的出射光传播至单光子探测器(7)；单光子探测器(7)对先后到达其光敏面上的光子产生脉冲电信号，该脉冲信号分为三路，其中一路直接与计数电路相连进行总计数，另一路的脉冲信号由延时电路进行与光延时相同的延时，将延时后的脉冲信号与第三路脉冲信号输入符合电路(11)，经符合后输出信号与计数电路相连进行计数，根据两个计数率即可得出单光子探测器(7)量子效率的绝对自身标定值。
2、如权利要求1所述的单光子探测器量子效率的绝对自身标定装置，其特征在于由一激光器(1)产生的激光入射到一非线性晶体(2)中，产生两束参量下转换光。
3、如权利要求1所述的单光子探测器量子效率的绝对自身标定装置，其特征在于所述的延时光路由两个偏振分束器(4)和两反射镜(5)组成，其中一反射镜(5)的反射光为另一反射镜(5)的入射光。
4、如权利要求1所述的单光子探测器量子效率的绝对自身标定装置，其特征在于在光路中用反射镜(3)和干涉滤光片(6)，分别滤掉泵浦激光及杂散光。
5、如权利要求1所述的单光子探测器量子效率的绝对自身标定装置，其特征在于所述的符合电路(11)为一逻辑与电路。
6、如权利要求1所述的单光子探测器量子效率的绝对自身标定装置，其特征在于所述的延时光路的光延时Δt大于符合电路(11)的时间窗口而小于等于非线性晶体(2)中产生两对参量光子的时间间隔。
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