光束相移及偏振旋转的同时超分辨测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了光束相移及偏振旋转的同时超分辨测量装置及方法，属于量子精密测量领域。光束相移及偏振旋转的同时超分辨测量装置包括：激光器、偏振片、第一偏振分光棱镜、相移器、偏振旋转器、第二偏振分光棱镜、第一光子数分辨探测器、反射镜、非偏振分光棱镜和第二光子数分辨探测器。本发明专利技术可以对由样品引起的偏振旋转及相移进行同时探测，且探测分辨率随着入射激光脉冲中的平均光子数N的增大而增大。

Simultaneous super-resolution measurement device and method for beam phase shifting and polarization rotation

The invention discloses a device and a method for simultaneous super-resolution measurement of beam phase shift and polarization rotation, belonging to the field of quantum precision measurement. The simultaneous superresolution measurement devices for the phase shift and polarization rotation of the beam include laser, polarizer, first polarizing prism, phase shifter, polarizer, second polarization prism, first photon number resolution detector, reflector, non polarization prism and second photon number resolution detector. The invention can detect simultaneously the polarization rotation and phase shift caused by the sample, and the detection resolution increases with the increase of the average photon number N in the incident laser pulse.

【技术实现步骤摘要】
光束相移及偏振旋转的同时超分辨测量装置及方法
本专利技术属于量子精密测量领域，尤其涉及一种光束相移及偏振旋转的同时超分辨测量装置及方法。
技术介绍
多参数估计是量子精密测量领域的一个重要研究方向，相比单参数量子探测具有更高的探测灵敏度，但是目前具体实施实例较少。以往的多参数量子测量方案都是设计多臂干涉仪，用于同时测量各待测臂与参考臂之间的相位差。这种方案的系统复杂不易实现而且只利用了激光光束中的相位信息，尚未对偏振信息进行有效的利用。
技术实现思路
本专利技术针对现有的多参数量子测量方法只利用了激光光束中的相位信息进行测量，存在的局限性问题，旨在提供一种光束相移及偏振旋转的同时超分辨测量装置及方法。本专利技术提供了一种光束相移及偏振旋转的同时超分辨测量装置，包括：激光器、偏振片、第一偏振分光棱镜、相移器、偏振旋转器、第二偏振分光棱镜、第一光子数分辨探测器、反射镜、非偏振分光棱镜和第二光子数分辨探测器；所述激光器发射的脉冲激光经所述偏振片偏振后被所述第一偏振分光棱镜分为第一透射光束和第一反射光束，所述第一透射光束依次经过待测样品、所述相移器和所述偏振旋转器，以及经所述第二偏振分光棱镜分光分为第二透射光束和第二反射光束，所述第二透射光束被所述第一光子数分辨探测器接收，以探测所述第二透射光束中包含的光子个数；所述第一反射光束经所述反射镜反射后，与所述第二反射光束在所述非偏振分光棱镜处干涉后，被所述第二光子数分辨探测器接收，以探测经干涉后的光束中包含的光子个数。优选的，所述偏振片的偏振方向与竖直方向的夹角为45度，经所述偏振片偏振后的所述脉冲激光的水平方向的偏振分量与竖直方向的偏振分量相等。优选的，所述待测样品用以在所述第一透射光束中附加一第一相移并将所述第一透射光束的偏振方向旋转一第一角度θ1。优选的，所述相移器用以在所述第一透射光束中进一步附加一第二相移优选的，所述偏振旋转器用以将所述第一透射光束的偏振方向进一步旋转一第二角度θ2。优选的，所述第一偏振分光棱镜用以对经偏振后的脉冲激光分为水平方向的第一透射光束和竖直方向的第一反射光束。优选的，所述第二偏振分光棱镜用以对经偏振旋转和相移后的脉冲激光分为水平方向的第二透射光束和竖直方向的第二反射光束。本专利技术还提供了一种光束相移及偏振旋转的同时超分辨测量方法，应用于上述的光束相移及偏振旋转的同时超分辨测量装置中，所述方法包括下述步骤：S1.所述激光器以固定功率，固定重复频率发射脉冲激光，将所述第一光子数分辨探测器移置于所述偏振片后面，以探测脉冲激光中每个脉冲中包含的光子数，根据每次所测得数据计算平均值以获得平均光子数N；S2.保持所述激光器输出功率不变，将所述第一光子数分辨探测器放置于所述第二偏振分光棱镜后面；S3.采用所述第一光子数分辨探测器记录第二反射光束中每个脉冲中接收到的光子个数，根据接收到的光子个数计算所述待测样品的偏振旋转角度；S4.采用所述第二光子数分辨探测器记录经干涉后的光束中每个脉冲中接收到的光子个数，根据接收到的光子个数计算所述待测样品的相移。优选的，在所述步骤S3中根据接收到的光子个数计算所述待测样品的偏振旋转角度的过程为：根据所述第一光子数分辨探测器接收的所述第二反射光束中每个脉冲中的光子数数据，求取第一算符的平均值根据公式(1)获取偏振旋转角度θ：则所述待测样品的偏振旋转角度θ1＝θ-θ2；其中，为所述第一光子数分辨探测器接收的第二透射光束的光子数算符，θ2为所述偏振旋转器用以将所述第一透射光束的偏振方向旋转一第二角度θ2。优选的，在所述步骤S4中根据接收到的光子个数计算所述待测样品的相移的过程为：根据所述第二光子数分辨探测器接收的经干涉后的光束中的光子数数据，求取第二算符的平均值根据公式(2)及步骤S3求得的偏振旋转角度θ求解相移则所述待测样品的相移其中为所述第二光子数分辨探测器接收的经干涉后的光束的光子数算符。上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本专利技术的目的。本专利技术的有益效果在于，本专利技术可以对由样品引起的偏振旋转及相移进行同时探测，且探测分辨率随着入射激光脉冲中的平均光子数N的增大而增大。因此可以在强光下获得超分辨偏振旋光信息及相移信息，能够更好地分析物质成分和测定溶液的浓度，对化学、材料、生物、医学、食品等领域具有重要的意义。附图说明图1为本专利技术所述的光束相移及偏振旋转的同时超分辨测量装置的光路原理示意图；图2为本专利技术所述的光束相移及偏振旋转的同时超分辨测量方法的一种实施例的流程图；图3为本专利技术所述第一光子数分辨探测器的探测信号仿真曲线图；图4为本专利技术所述第二光子数分辨探测器的探测信号仿真曲线图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本专利技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步说明，但不作为本专利技术的限定。如图1所示，一种光束相移及偏振旋转的同时超分辨测量装置，包括：激光器1、偏振片2、第一偏振分光棱镜3、相移器4、偏振旋转器5、第二偏振分光棱镜6、第一光子数分辨探测器7、反射镜8、非偏振分光棱镜9和第二光子数分辨探测器10；激光器1发射的脉冲激光经偏振片2偏振后被第一偏振分光棱镜3分为第一透射光束和第一反射光束，第一透射光束依次经过待测样品、相移器4和偏振旋转器5，以及经第二偏振分光棱镜6分光分为第二透射光束和第二反射光束，第二透射光束被第一光子数分辨探测器7接收，以探测第二透射光束中包含的光子个数；第一反射光束经反射镜8反射后，与第二反射光束在非偏振分光棱镜9处干涉后，被第二光子数分辨探测器10接收，以探测经干涉后的光束中包含的光子个数。在本实施例中，激光器1发射的脉冲激光经偏振片2起偏后被第一偏振分光棱镜3分为两束光(即第一透射光束和第一反射光束)，第一反射光束经反射镜8反射后入射至非偏振分光棱镜9；第一透射光束依次经待测样品透射，经相移器4附加一相移经偏振旋转器5将第一透射光束偏振方向旋转一角度，再经第二偏振分光棱镜6分为两束光(即第二透射光束和第二反射光束)，第二透射光束直接被第一光子数分辨探测器7接收，以探测第二透射光束中包含的光子个数；第二反射光束入射至非偏振分光棱镜9，第二反射光束与第一反射光束在非偏振分光棱镜9处干涉后，被第二光子数分辨探测器10接收，以探测经干涉后的光束中包含的光子个数。光束相移及偏振旋转的同时超分辨测量装置可以对由样品引起的偏振旋转及相移进行同时探测，且探测分辨率随着入射激光脉冲中的平均光子数N的增大而增大。因此可以在强光下获得超分辨偏振旋光信息及相移信息，能够更好地分析物质成分和测定溶液的浓度，对化学、材料、生物、医学、食品等领域具有重要的意义。在优选的实施例中，偏振片2的偏振方向与竖直方向的夹角为45度，经偏振片2偏振后的脉冲激光的水平方向的偏振分量与竖直方向的偏振分量相等。在优选的实施例中，待测样品用以在第一透射光束中附加一第一相移并将第一透射光束的偏本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光束相移及偏振旋转的同时超分辨测量装置，其特征在于，包括：激光器、偏振片、第一偏振分光棱镜、相移器、偏振旋转器、第二偏振分光棱镜、第一光子数分辨探测器、反射镜、非偏振分光棱镜和第二光子数分辨探测器；所述激光器发射的脉冲激光经所述偏振片偏振后被所述第一偏振分光棱镜分为第一透射光束和第一反射光束，所述第一透射光束依次经过待测样品、所述相移器和所述偏振旋转器，以及经所述第二偏振分光棱镜分光分为第二透射光束和第二反射光束，所述第二透射光束被所述第一光子数分辨探测器接收，以探测所述第二透射光束中包含的光子个数；所述第一反射光束经所述反射镜反射后，与所述第二反射光束在所述非偏振分光棱镜处干涉后，被所述第二光子数分辨探测器接收，以探测经干涉后的光束中包含的光子个数。

【技术特征摘要】
1.一种光束相移及偏振旋转的同时超分辨测量装置，其特征在于，包括：激光器、偏振片、第一偏振分光棱镜、相移器、偏振旋转器、第二偏振分光棱镜、第一光子数分辨探测器、反射镜、非偏振分光棱镜和第二光子数分辨探测器；所述激光器发射的脉冲激光经所述偏振片偏振后被所述第一偏振分光棱镜分为第一透射光束和第一反射光束，所述第一透射光束依次经过待测样品、所述相移器和所述偏振旋转器，以及经所述第二偏振分光棱镜分光分为第二透射光束和第二反射光束，所述第二透射光束被所述第一光子数分辨探测器接收，以探测所述第二透射光束中包含的光子个数；所述第一反射光束经所述反射镜反射后，与所述第二反射光束在所述非偏振分光棱镜处干涉后，被所述第二光子数分辨探测器接收，以探测经干涉后的光束中包含的光子个数。2.根据权利要求1所述的光束相移及偏振旋转的同时超分辨测量装置，其特征在于，所述偏振片的偏振方向与竖直方向的夹角为45度，经所述偏振片偏振后的所述脉冲激光的水平方向的偏振分量与竖直方向的偏振分量相等。3.根据权利要求1所述的光束相移及偏振旋转的同时超分辨测量装置，其特征在于，所述待测样品用以在所述第一透射光束中附加一第一相移并将所述第一透射光束的偏振方向旋转一第一角度θ1。4.根据权利要求3所述的光束相移及偏振旋转的同时超分辨测量装置，其特征在于，所述相移器用以在所述第一透射光束中进一步附加一第二相移5.根据权利要求4所述的光束相移及偏振旋转的同时超分辨测量装置，其特征在于，所述偏振旋转器用以将所述第一透射光束的偏振方向进一步旋转一第二角度θ2。6.根据权利要求1所述的光束相移及偏振旋转的同时超分辨测量装置，其特征在于，所述第一偏振分光棱镜用以对经偏振后的脉冲激光分为水平方向的第一透射光束和竖直方向的第一反射光束。7.根据权利要求1所述的光束相移及偏振旋转的同时超分辨测量装置，其特征在于，所述第二偏振分光棱...

【专利技术属性】
技术研发人员：张子静，靳辰飞，赵远，岑龙柱，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23