一種實時檢測單光子偏振量子態的裝置與方法
2024-02-19 14:02:15
專利名稱：一種實時檢測單光子偏振量子態的裝置與方法
技術領域：
本發明涉及光束偏振的斯託克斯矢量檢測，特別是指單光子狀態下或微弱能量光 束的偏振情況的實時檢測。
背景技術：
偏振是光的一種特性，可以分為平面偏振光(線偏振光)、圓偏振光和橢圓偏振 光。偏振信息已經在地物遙感探測、大氣探測、水下探測、天文探測、醫學診斷、目標檢測、圖 像處理和軍事應用等領域得到廣泛應用。斯託克斯矢量是描述光偏振狀態的一種有效而全 面的方法，斯託克斯矢量的檢測也受到人們的關注。現在已有的斯託克斯偏振檢測儀器大 多數採用旋轉波片前後繼承的方式獲取光束的偏振狀態，這種方式適合於恆定或緩變的連 續光束的測量，不適合於瞬變或脈衝光束及單光子狀態下光束的偏振測量。單光子信號也具有偏振量子態，隨著單光子探測技術的日趨成熟，對單光子的偏 振應用已經在技術上可以實現，因此，基於單光子層面的偏振信息應用研究逐漸成為國內 外科技工作者重點關注的內容之一。量子保密通信就是單光子偏振信息應用的主要領域之 一，在量子通信的經典協議BB84中，密鑰的分發就是利用光子的偏振態來代表經典二進位 碼(bit)，對信號進行編碼，其中水平或45°偏振對應於經典比特0，豎直或135°偏振對應 於經典比特1。在量子通信過程中，單光子信號從發射端發射到接收端接收都要經過鏡面的 一系列反射或折射，它們會改變信號的偏振狀態。這些偏振狀態的改變量需要能精確的檢 測出來以便利用相位補償器對其進行補償。
發明內容
本發明要解決的技術問題在於克服現有技術的缺陷，提供一種高速的、高精度的、 高靈敏度的檢測單光子或微弱光束的偏振狀態的裝置及方法。本發明的測試裝置包括測試系統和定標系統(
圖1)兩部分。測試系統由無鍍膜石英分光片1，能量分束比為1 1分光鏡2，第一可調相位補 償器3-1、第二可調相位補償器3-2、第一偏振分光鏡4-1、第二偏振分光鏡4-2、第一能量探 測單光子探測器5-1、第二能量探測單光子探測器5-2、第三能量探測單光子探測器5-3、第 四能量探測單光子探測器5-4和能量監視單光子探測器6組成。所述實時檢測單光子偏振狀態的原理和步驟如下1、被測光束D經過無鍍膜石英分光片1被分為光束Dl和光束D2兩路，光束Dl佔 總能量的96%，作為測試光束進入系統；光束D2佔總能量的4%，作為能量監視光束由能量 監視單光子探測器6探測，光束D2的能量為2、光束Dl被能量分束比為1 1分光鏡2分為光束Dl-I和光束Dl_2。3、光束Dl-I經過第一可調相位補償器3-1後，調節第一可調相位補償器3-1的方 位和相位，使之調節由能量分束比為1 1分光鏡2造成的相位偏移。第一偏振分光鏡4-1 將光束Dl-I分為偏振狀態相互正交的光束dl和光束d2。光束dl由第一單光子探測器5-1探測輸出，輸出能量為I1 ；光束d2由第二單光子探測器5-2探測輸出，輸出能量為12。4、光束D1-2經過第二可調相位補償器3-2後，調節第二可調相位補償器3_2的方 位和相位，使之補償由能量分束比為1 1分光鏡2造成的相位偏移。第二偏振分光鏡4-2 將光束D1-2分為偏振狀態相互正交的光束d3和光束d4。光束d3由第三單光子探測器5-3 探測輸出，輸出能量為I3，光束d4由第四單光子探測器5-4探測輸出，輸出能量為14。5、第一單光子探測器5-1、第二單光子探測器5-2、第三單光子探測器5_3、第四單 光子探測器5-4對應的能量輸出可以寫為一個矩陣I，如式(1)所示，T表示轉置
I —I」 I」 1」 工4
(1) 若能求得測試系統(圖1)的儀器矩陣A，則根據公式(2)可計算求出被測信號光 的斯託克斯矢量。A—1為A的逆矩陣。
S = A^1I
⑵
儀器矩陣的獲得可以根據定標過程求得。 定標過程如下
1)定標系統由波長可調諧雷射器7、小孔光闌8、起偏器9、λ/4波片10組成。
2)調節起偏器9和/4波片10的方位角度，使得光束C變換四個線性無關的偏振
態，每一個偏振態光束對應的斯託克斯矢量可以表示為Sik(i = 1，2，3，4 ;k = 0，1，2，3)。
3)將每一個偏振態光束C輸入到測試系統(圖1)中，對應得出單光子探測器的四 個輸出信號值 = 1,2,3,4 ；j = 1，2，3，4)。
4)將上述測量結果組合成矩陣可以得到如下公式(3) ^31 1.41·1 Γ^ΙΟ S2O ^30 S40
權利要求
1.一種實時檢測單光子偏振量子態的裝置，它包括測試系統和定標系統兩部分。測試 系統由石英分光片，能量分束比為1 1分光鏡，兩個可調相位補償器、兩個偏振分光鏡、四 個能量探測單光子探測器組成；定標系統由波長可調諧雷射器、小孔光闌、起偏器、λ/4波 片組成，其特徵在於所述的測試系統中，被測光束D經過石英分光平片(1)被分為光束Dl和光束D2兩路， 石英分光平片未鍍膜，光束Dl佔總能量的96%，作為測試光束進入系統；光束D2佔總能量 的4 %，由能量監視單光子探測器(6)探測，光束D2的能量為Itl ；光束Dl被能量分束比為1 1分光鏡( 分為光束Dl-I和光束D1-2;光束Dl-I經過第一可調相位補償器(3-1)後，可以補償由能量分束比為1 1分光鏡 (2)造成的相位偏移，第一偏振分光鏡(4-1)將光束Dl-I分為偏振狀態相互正交的光束dl 和光束d2，光束dl由第一單光子探測器(5-1)探測輸出，輸出能量為I1，光束d2由第二單 光子探測器(5- 探測輸出，輸出能量為I2 ；光束D1-2經過可調相位補償器(3- 後，調節相位補償器(3-2)的方位和相位，可以 補償由分光鏡(2)造成的相位偏移，偏振分光鏡(4- 將光束D1-2分為偏振狀態相互正交 的兩束光d3和d4，光束d3由第三單光子探測器(5- 探測輸出，輸出能量為13，光束d4由 第四單光子探測器(5-4)探測輸出，輸出能量為I4 ；所述的定標系統中，可調諧雷射器(7)發出的光束經空間濾波小孔光闌(8)、起偏器 (9)和λ/4波片(10)後成為一偏振狀態已知的光束C，光束C輸入到測試系統中，可得出 單光子探測器的輸出信號值Iu。
2.一種基於權利要求1所述裝置的單光子偏振量子態測試方法，其特徵在於包括以下 步驟1)被測光束D經測試系統測量後，將系統的第一探測器(5-1)、第二單光子探測器 (5-2)、第三單光子探測器(5-3)、第四單光子探測器(5-4)對應的能量輸出寫為一個矩陣 I，I = [I1,12, I3, I4It (1)其中Τ表示轉置；2)由定標系統產生四個相互間線形無關的已知偏振態的光束C，每一個偏振態光束對 應的斯託克斯矢量表示為Sik，i為光束編號，i = 1,2,3,4 ；k為單光子探測器輸出編號，k =1,2,3,4 ；3)每一個偏振態光束C輸入到測試系統中，對應得出單光子探測器的四個輸出信號值 Iij, i為光束編號，i = 1,2,3,4 ；j為單光子探測器輸出編號，j = 1,2,3,4 ；4)求測試系統的儀器矩陣A為
全文摘要
本發明公開了一種實時測量單光子光束偏振狀態的測試裝置及方法，該裝置包括測試系統和定標系統兩部分。該測試裝置利用能量分光鏡和相位分光鏡將被測光束分為四束，分別由四個單光子探測器對輸入信號進行探測。利用定標裝置獲取系統的最優儀器矩陣；在測試時根據儀器矩陣和測試信號能得到被測信號的斯託克斯矢量。本發明的優點是系統中無轉動部件，測試速度快；測試系統充分的利用了被測試光束的能量，可用於單光子或極微弱光束的偏振狀態檢測；系統中有可變相位補償器，能獲取最優的系統儀器矩陣，測試精度高，結果可靠。
文檔編號G01J4/00GK102080988SQ20101056506
公開日2011年6月1日 申請日期2010年11月26日 優先權日2010年11月26日
發明者何志平, 狄慧鴿, 王建宇, 舒嶸 申請人:中國科學院上海技術物理研究所