一种未探测光子的无相互作用、单像素量子成像系统技术方案

本发明专利技术公开了一种未探测光子的无相互作用、单像素量子成像系统，主要包括诱导相干模块和单像素成像模块；诱导相干模块包括非线性晶体、第二二向色镜、第一反射镜和IFM装置；利用非线性晶体在正向或反向自发参量下转换过程产生信号光子和闲置光子；利用第二二向色镜将闲置光子反射进入IFM装置；仅当物体被放置于IFM装置中时，正向自发参量下转换过程产生的闲置光子回到非线性晶体，在诱导相干模块上建立部分路径全同性，实现诱导相干；利用单像素成像模块，通过信号光子单计数实现传感和重建出物体图像；本发明专利技术能有效避免照明光子与物体发生直接相互作用，以及可在远红外以及太赫兹波段，实现无相互作用、单像素量子成像。单像素量子成像。单像素量子成像。

【技术实现步骤摘要】
一种未探测光子的无相互作用、单像素量子成像系统


[0001]本专利技术属于量子传感和成像
，具体为一种未探测光子的无相互作用、单像素量子成像系统。

技术介绍

[0002]利用量子技术，人们已经开发了多种量子成像方案，比如鬼成像、无相互作用测量(IFM)和未探测光子的量子成像(QIUP)等。这些量子成像方案有助于提升成像能力，拓展成像的应用范围。鬼成像方案依赖于光子对的空间关联特性，需要进行双光子符合测量。受鬼成像启发，人们又提出计算鬼成像方案。计算鬼成像和单像素成像基于相同原理，都不需要双光子关联，而是借助于单光子与可编程图案之间的关联。单像素成像可利用空间光调制器和单像素探测器获取物体的空间信息，不需要使用任何具有空间分辨力的探测器，比如CCD相机等。
[0003]未探测光子的量子成像(QIUP)是基于诱导相干概念开发的量子成像方案。诱导相干干涉仪由两个纠缠源构成，可产生一对信号光子和闲置光子。通过将两个纠缠源的闲置光子路径重叠在一起，我们可建立路径全同性，从而移除光子对的源信息。物体被放置于闲置光子路径中。利用诱导相干，闲置光子携带的物体相位和透射率信息被转移到信号光子的量子干涉中。与鬼成像不同，未探测光子的量子成像(QIUP)不需要对照射物体的光子进行探测，也不需要进行任何符合测量。探测光子可以选择与照明光子完全不一样的波长，前者侧重于方便探测，而后者侧重于实际应用，这是未探测光子的量子成像(QIUP)的一个独特优势。诱导相干概念已经应用到生物显微成像、中红外成像、太赫兹传感、红外光谱学、全息成像、光学相干层析以及傅里叶变换红外光谱学等诸多领域。
[0004]虽然鬼成像、单像素成像和未探测光子的量子成像(QIUP)都具有各自的独特优势，但是它们无法避免光子与物体发生直接相互作用，这尤其不利于对生物组织等脆弱样品的测量与成像。无相互作用测量(IFM)可以利用单光子的波粒二象性，通过观察干涉图案的变化感知物体的存在。在无相互作用测量(IFM)中，即使光子与物体没有发生直接相互作用，我们也可以实现物体探测。无相互作用测量(IFM)有多种不同实现方案，比如Elitzur
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Vaidman方案和量子Zeno方案。另外，无相互作用测量(IFM)还可以与鬼成像相结合，实现无相互作用鬼成像。然而，由于缺乏长波段单光子探测器，因此无相互作用测量(IFM)无法应用于红外以及太赫兹波段。红外和太赫兹波段成像在很多领域具有非常重要的应用，比如生物成像、安全检测以及材料研究等。目前，发展新型量子成像技术应用于材料研究以及生命科学是一个非常重要的研究课题。

技术实现思路

[0005]专利技术目的：为解决无相互作用测量(IFM)无法应用于红外以及太赫兹波段的问题，本专利技术提出了一种基于无相互作用测量、诱导相干和单像素成像的未探测光子的无相互作用、单像素量子成像系统和方法。
[0006]技术方案：一种未探测光子的无相互作用、单像素量子成像系统，包括激光器、第一二向色镜、第三二向色镜、诱导相干模块和单像素成像模块；
[0007]所述激光器，用于发射泵浦激光；
[0008]所述第一二向色镜，位于激光器和诱导相干模块之间，用于使泵浦激光射向诱导相干模块，以及分离激光和自发参量下转换过程产生的光子对；
[0009]所述第三二向色镜，位于第一二向色镜和单像素成像模块之间，用于透射信号光子到单像素成像模块，并将闲置光子反射过滤掉；
[0010]所述诱导相干模块包括非线性晶体、第二二向色镜、第一反射镜和IFM装置；其中，
[0011]所述非线性晶体，用于在正向或反向自发参量下转换过程产生信号光子和闲置光子；
[0012]所述第二二向色镜，位于非线性晶体之后，用于分离正向自发参量下转换过程产生的闲置光子和信号光子，并将闲置光子反射进入IFM装置；
[0013]所述第一反射镜，位于第二二向色镜透射光路末端，用于反射激光和信号光子回到非线性晶体；
[0014]所述IFM装置包括分束器、第二反射镜和第三反射镜；分束器位于第二二向色镜反射光路之中，用于将闲置光子分束为反射和透射两路；第二反射镜位于分束器反射光路末端，用于反射闲置光子回到分束器；第三反射镜位于分束器透射光路末端，用于反射闲置光子回到分束器；由第二反射镜和分束器构成路径2；由第三反射镜和分束器构成路径3；仅当物体被放置于路径3中时，正向自发参量下转换过程产生的闲置光子沿路径2经分束器和第二二向色镜回到非线性晶体，在诱导相干模块上建立部分路径全同性；
[0015]所述单像素成像模块，用于获取成像物体的空间信息，包括空间光调制器和无空间分辨力的单光子探测器；其中，所述空间光调制器用于显示采样图案，所述无空间分辨力的单光子探测器用于探测与采样图案关联的单光子数；基于与采样图案关联的单光子数，来判断物体是否存在于IFM装置中以及基于与采样图案关联的单光子数，重构得到物体的像素化图像。
[0016]进一步的，还包括第一位移台、第二位移台和第三位移台；用于调节信号光子、闲置光子以及泵浦激光之间的相对光学延迟；
[0017]所述第一位移台安装在第一反射镜上，用于调节信号光子的相位。
[0018]所述第二位移台安装在第二反射镜上，用于调节分束器反射光路中闲置光子的相位。
[0019]所述第三位移台安装在第三反射镜上，用于调节分束器透射光路中闲置光子的相位。
[0020]进一步的，所述采样图案为Hadamard矩阵构造的图案。
[0021]进一步的，所述的基于与采样图案关联的单光子数，重构得到物体的像素化图像，具体包括：
[0022]采用所有采样图案的关联单光子数，构建图像的Hadamard谱；
[0023]通过对Hadamard谱进行Hadamard反变换，重构得到物体的像素化图像。
[0024]进一步的，所述单像素成像模块替换为增强型电荷耦合器件，用于进行未探测光子的无相互作用量子成像。
[0025]本专利技术还公开了一种未探测光子的无相互作用量子传感方法，包括以下步骤：
[0026]构建未探测光子的无相互作用、单像素量子成像系统；
[0027]将IFM装置固定在干涉相消点；
[0028]获取信号光子单计数的直方图，基于信号光子单计数的直方图，判断得到IFM装置中是否存在物体，若信号光子单计数超过阈值的计数区间，则IFM装置中存在物体；若信号光子单计数低于阈值的计数区间，则IFM装置中不存在物体。
[0029]本专利技术还公开了一种未探测光子的无相互作用量子成像方法，包括以下步骤：
[0030]步骤1：构建一种未探测光子的无相互作用、单像素量子成像系统；
[0031]步骤2：将IFM装置固定在相位点(θ＝π,φ＝0)，记录此相位设置下的信号光子图像；
[0032]步骤3：将IFM装置的相对相位φ调至π，信号光子的相位θ调至0，记录此相位设置下的信号光子图像；
[0033]步骤4：将步骤2得到本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种未探测光子的无相互作用、单像素量子成像系统，其特征在于：包括激光器、第一二向色镜、第三二向色镜、诱导相干模块和单像素成像模块；所述激光器，用于发射激光；所述第一二向色镜，位于激光器和诱导相干模块之间，用于使激光射向诱导相干模块，以及用于分离激光和自发参量下转换过程产生的闲置光子和信号光子；所述第三二向色镜，位于第一二向色镜和单像素成像模块之间，用于透射信号光子到单像素成像模块，并将闲置光子反射过滤掉；所述诱导相干模块包括非线性晶体、第二二向色镜、第一反射镜和IFM装置；其中，所述非线性晶体，用于在正向自发参量下转换过程产生信号光子和闲置光子；所述第二二向色镜，位于非线性晶体之后，用于分离正向自发参量下转换过程产生的闲置光子和信号光子，并将闲置光子反射进入IFM装置；所述第一反射镜，位于第二二向色镜透射光路末端，用于反射激光和信号光子回到非线性晶体；所述IFM装置包括分束器、第二反射镜和第三反射镜；分束器位于第二二向色镜反射光路之中，用于将闲置光子分束为反射和透射两路；第二反射镜位于分束器反射光路末端，用于反射闲置光子回到分束器；第三反射镜位于分束器透射光路末端，用于反射闲置光子回到分束器；由第二反射镜和分束器构成路径2；由第三反射镜和分束器构成路径3；仅当物体被放置于路径3中时，正向自发参量下转换过程产生的闲置光子沿路径2经分束器和第二二向色镜回到非线性晶体，在诱导相干模块上建立部分路径全同性；所述单像素成像模块，用于获取成像物体的空间信息，包括空间光调制器和无空间分辨力的单光子探测器；其中，所述空间光调制器用于显示采样图案，所述无空间分辨力的单光子探测器用于探测与采样图案关联的单光子数；基于与采样图案关联的单光子数，来判断物体是否存在于IFM装置中以及基于与采样图案关联的单光子数，重构得到物体的像素化图像。2.根据权利要求1所述的一种未探测光子的无相互作用、单像素量子成像系统，其特征在于：还包括第一位移台、第二位移台和第三位移台；用于调节信号光子、闲置光子以及泵浦激光之间的相对光学延迟；所述第一位移台安装在第一反射镜上，用于调节信号光子的相位；所述第二位移台安装在第二反射镜上，用于调节分束器反射光路中闲置光子的相位；所述第三位移台安装在第三反射镜上，用于调节分束器透射光路中闲置光子的相位。3.根据权利要求1所述的一种未探测光子的无相互作用、单像素量子成像系统，其特征在于：所述采样图案为Hadamard矩阵构造的图案。4.根据权利要求3所述的一种未探测光子的无相互作用、单像素量子...

【专利技术属性】
技术研发人员：马小松，杨一泉，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：