一种探测天体光谱强度的量子干涉探测系统和方法技术方案

本申请实施例公开了一种探测天体光谱强度的量子干涉探测系统和方法。本申请基于频率上转换技术，利用周期性极化铌酸锂波导并结合窄带滤波器实现窄带频率上转换，将来自天体的光子频率转换到地面激光器的波段，从而使两者发生单光子干涉，在不需要修改激光器出射波段和滤波器中心波长的条件下实现对天体光谱强度的探测。并且，采用相干探测技术，实现高信噪比和高灵敏度的光谱探测。比和高灵敏度的光谱探测。比和高灵敏度的光谱探测。

【技术实现步骤摘要】
一种探测天体光谱强度的量子干涉探测系统和方法


[0001]本专利技术属于激光雷达
，具体涉及一种探测天体光谱强度的量子干涉探测系统和方法。

技术介绍

[0002]1960年代，随着激光器的出现，非线性光学开始兴起。1990年，美国西北大学的P.Kumar教授利用磷酸钛痒钾晶体的非线性效应将1.06微米的光子转换为532纳米的可见光，证明了单光子量子态频率转换的可行性。2004年，麻省理工大学的N.C.Wong采用了一种新型的非线性材料——周期性极化铌酸锂首次实现了转换效率为90％的非线性转换。周期性极化的铌酸锂晶体一出现，便蓬勃发展，热门称之为“非线性光学硅材料”。同时，波导结构的引入，使得非线性作用的强度大大提高。2008年，日本NTT公司的Hiroki Takesue在保持其傅里叶变换受限特性的同时调整脉冲单光子的频率，使用基于周期性极化铌酸锂波导的上变频器成功地证明了消除两个单光子的频率可分辨性。
[0003]观测两个粒子的干涉要求粒子具有全同性。2019年，Yu
‑
Hao Deng等人实现了太阳光和地球上的半导体量子点产生的激光之间的非经典干涉。该实验通过放置一个光栅来选择出太阳光中与地面上的激光器相符合的波段，再由赤道仪收集后与地面激光器发生干涉。该实验了证明了可以通过使来自不同光源的光子在各个自由度上都无法区分，来实现两个光子的干涉。但是，该装置只能实现与激光器波长相同的太阳光波段的探测，若要实现其他波段的探测，则需要相应地修改激光器的出射波长和响应的背景光滤波器中心波长，这大大限制了其应用范围，不便于星载探测。
[0004]现有的使来自天体的光子与地面激光器出射的光子发生干涉的方案中，是通过放置一个光栅滤波器来选择出太阳光中与地面上的激光器相符合的波段，因此只能实现对特定波长的探测，并且装置笨重，不便于星载探测。

技术实现思路

[0005]本申请提供的一种探测天体光谱强度的量子干涉探测系统和方法利用频率上转换技术，利用周期性极化铌酸锂波导实现窄带频率上转换，并结合窄带滤波器，将来自天体的光子频率转换到地面激光器的波段，从而使两者发生单光子干涉，在不需要修改激光器出射波段和滤波器中心波长的条件下实现对天体光谱强度的探测，减少了因器件参数不同引入的系统误差，该探测系统轻便、且能够对任意波段的光谱强度进行探测。并且，采用单光子干涉技术，可实现高信噪比和高灵敏度的光谱探测。通过探测得到的天体的光谱强度，本申请进一步反演从而得到天体大气的浓度、元素含量等。
[0006]为实现上述目的，本申请提供一种探测天体光谱强度的量子干涉探测系统，所述系统包括：
[0007]望远镜、周期性极化铌酸锂波导、扫频激光器、窄带滤波器、第一偏振控制器、地面激光器、第二偏振控制器、耦合器、单光子探测器、采集卡、上位机；
[0008]所述望远镜与所述周期性极化铌酸锂波导相连，所述扫频激光器与所述周期性极化铌酸锂波导相连，所述周期性极化铌酸锂波导的输出端与所述窄带滤波器相连，所述窄带滤波器的输出端连接于所述第一偏振控制器输入端，所述地面激光器的输出端连接于所述第二偏振控制器，所述第一偏振控制器的输出端和所述第二偏振控制器的输出端均连接于所述耦合器，所述耦合器输出端连接于所述单光子探测器，所述单光子探测器的输出端与所述采集卡相连；
[0009]所述望远镜用于接收天体反射的天体信号光，并将所述天体信号光传入所述周期性极化铌酸锂波导；
[0010]所述扫频激光器用于产生泵浦光；
[0011]所述周期性极化铌酸锂波导用于利用频率上转换技术，将接收的所述天体信号光和所述泵浦光上转换为第一和频信号光；
[0012]所述窄带滤波器用于对所述第一和频信号光进行滤波，得到滤波后的第二和频信号光；
[0013]所述第一偏振控制器用于调整所述窄带滤波器的第二和频信号光的偏振态，所述第二偏振控制器用于调整所述地面激光器输出的第一本振信号的偏振态，以使得通过所述第一偏振控制器调整后得到的第三和频信号光的偏振态和通过所述第二偏振控制器调整后得到的第二本振信号的偏振态相同；
[0014]所述耦合器用于获取所述第一偏振控制器输出的第三和频信号光和所述第二偏振控制器输出的第二本振信号，并实现两路信号单光子干涉，输出干涉信号；
[0015]所述单光子探测器用于将所述干涉信号转化为单光子计数信号；
[0016]所述采集卡用于采集所述单光子计数信号的强度；
[0017]所述上位机用于根据泵浦光的频率和所述单光子计数信号的强度，获取对应频率的天体信号的强度；并扫描扫频激光器的频率，根据每个频率对应的天体信号的强度，得到一段波段范围的天体光谱分布。
[0018]可选地，所述天体信号光的频率范围为
[0019][w
sum
‑
w
p2
,w
sum
‑
w
p1
]；
[0020]其中，w
sum
为和频信号光的频率，wp2为扫频激光器扫频范围上限，wp1为扫频激光器扫频范围下限。
[0021]可选地，所述系统基于上转换技术，通过调节所述泵浦光的频率，将所述天体信号光转换到预设的固定波长，所述预设的固定波长与所述地面激光器输出的第一本振信号的波长相同。
[0022]可选地，所述天体信号光为任意频率的天体信号光，所述利用频率上转换技术用于实现不同频率光子的单光子干涉。
[0023]本申请还提供了一种探测天体光谱强度的量子干涉探测方法，所述方法包括：
[0024]接收天体反射的天体信号光；
[0025]利用频率上转换技术，将接收的所述天体信号光和扫频激光器产生的泵浦光上转换为第一和频信号光；
[0026]对所述第一和频信号光进行滤波，得到滤波后的第二和频信号光；
[0027]通过第一偏振控制器调整所述第二和频信号光的偏振态，通过所述第二偏振控制
器调整所述地面激光器产生的第一本振信号光的偏振态，且通过所述第一偏振控制器调整后的第三和频信号光的偏振态和通过所述第二偏振控制器调整后的第二本振信号光的偏振态相同；
[0028]将所述第三和频信号光与所述第二本振信号光发生单光子干涉，得到干涉信号；
[0029]将所述干涉信号转换为单光子计数信号；
[0030]获取所述泵浦光的频率和所述单光子计数信号的强度，根据泵浦光的频率和所述单光子计数信号的强度，获取对应频率的天体信号的强度；
[0031]扫描泵浦光的频率，根据每个频率对应的天体信号的强度，得到一段波段范围的天体光谱分布。
[0032]可选地，所述天体信号光的频率范围为
[0033][w
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‑
w
p2
,w
sum
‑
w
p1
]；
[0034]其中，w
sum
为和频信号光的频率，w...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种探测天体光谱强度的量子干涉探测系统，其特征在于，所述系统包括：望远镜、周期性极化铌酸锂波导、扫频激光器、窄带滤波器、第一偏振控制器、地面激光器、第二偏振控制器、耦合器、单光子探测器、采集卡、上位机；所述望远镜与所述周期性极化铌酸锂波导相连，所述扫频激光器与所述周期性极化铌酸锂波导相连，所述周期性极化铌酸锂波导的输出端与所述窄带滤波器相连，所述窄带滤波器的输出端连接于所述第一偏振控制器输入端，所述地面激光器的输出端连接于所述第二偏振控制器，所述第一偏振控制器的输出端和所述第二偏振控制器的输出端均连接于所述耦合器，所述耦合器输出端连接于所述单光子探测器，所述单光子探测器的输出端与所述采集卡相连；所述望远镜用于接收天体反射的天体信号光，并将所述天体信号光传入所述周期性极化铌酸锂波导；所述扫频激光器用于产生泵浦光；所述周期性极化铌酸锂波导用于利用频率上转换技术，将接收的所述天体信号光和所述泵浦光上转换为第一和频信号光；所述窄带滤波器用于对所述第一和频信号光进行滤波，得到滤波后的第二和频信号光；所述第一偏振控制器用于调整所述窄带滤波器的第二和频信号光的偏振态，所述第二偏振控制器用于调整所述地面激光器输出的第一本振信号的偏振态，以使得通过所述第一偏振控制器调整后得到的第三和频信号光的偏振态和通过所述第二偏振控制器调整后得到的第二本振信号的偏振态相同；所述耦合器用于获取所述第一偏振控制器输出的第三和频信号光和所述第二偏振控制器输出的第二本振信号，并实现两路信号单光子干涉，输出干涉信号；所述单光子探测器用于将所述干涉信号转化为单光子计数信号；所述采集卡用于采集所述单光子计数信号的强度；所述上位机用于根据泵浦光的频率和所述单光子计数信号的强度，获取对应频率的天体信号的强度；并扫描扫频激光器的频率，根据每个频率对应的天体信号的强度，得到一段波段范围的天体光谱分布。2.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述天体信号光的频率范围为[w
sum
‑
w
p2
,w
sum
‑
w
p1
]；其中，w
sum
为和频信号光的频率，wp2为扫频激光器扫频范围上限，w...

【专利技术属性】
技术研发人员：ꢀ七四专利代理机构，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：