【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及量子成像和量子精密测量，具体为基于纠缠光子的量子共聚焦成像装置和方法。
技术介绍
1、激光扫描共聚焦显微镜(lscm)是20世纪80年代中期发展起来的显微成像技术，目前已经成为生物学、生物医学和材料科学研究中重要的分析工具。传统的光学显微镜使用的是场光源，由于光散射，在所观察的视野内，样品上的每一点都同时被照射并成像，入射光照射到整个样品的一定厚度，位于焦平面外的反射光也可通过物镜而成像，使图像的信噪比降低，影响了图像的清晰度和分辨率。而lscm脱离了这种模式，采用激光束做光源，激光束经照明针孔，由分光镜反射至物镜并聚焦于样品上，对样品焦平面上的每一点进行扫描。然后，激发出的荧光经原来的入射光路反向回到分光镜，通过探测针孔时先聚焦，聚焦后的光被光电倍增管(pmt)探测收集，并将信号输送到计算机，在显示器上显示图像。由于lscm这种独特的结构，使得只有来自焦平面上的光才能通过探测针孔，而焦平面以外区域的光在探测针孔平面是离焦的，不能通过探测针孔，有效克服了焦平面以外的杂光信号对成像结果的干扰。
2、因此，相比于传统显微镜，lscm可以获得更加清晰的图像，具有更高的分辨率。但是，lscm也并不能满足所有的成像需求，由于其光源是激光光源，强度比较高，在对一些生物样品(如活体组织或细胞)进行成像时会对其造成不可逆的光损伤，影响样品的本来结构，使成像质量下降；降低光强水平，会有效避免对生物样品的损伤，但是同时也会带来两个问题，第一个就是经典的探测器灵敏度不高，会导致成像质量的下降；第二个是由于光强的降低会导致从样
技术实现思路
1、针对现有技术的不足，本专利技术提供了基于纠缠光子的量子共聚焦成像装置和方法，解决了现有技术中探测器灵敏度不高，会导致成像质量的下降，同时会引起信噪比的下降的问题。
2、为实现以上目的，本专利技术通过以下技术方案予以实现：基于纠缠光子的量子共聚焦成像装置，包括纠缠光子源、偏振分束器、反射镜组、单模光纤组和分束器，所述反射镜组包括第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、第五反射镜、第六反射镜，所述单模光纤组包括第一单模光纤、第二单模光纤和第三单模光纤，所述偏振分束器有四个端口，其中第一端口输入的光的水平偏振分量通过第二端口输出，第三端口输出垂直偏振光，两输出端分别与第一反射镜和第三反射镜相连接，所述第二反射镜与第一单模光纤连接，且所述第一单模光纤电性连接有第一单光子探测器，所述第四反射镜与第二单模光纤连接，所述第二单模光纤输出端连接有准直透镜，所述分束器有四个端口，其中第一端口输入的光通过第二端口和第三端口输出，且所述第二端口连接有显微物镜，所述第四端口一侧设置有光阑，且所述光阑与所述第五反射镜连接，所述第六反射镜与第三单模光纤连接，所述第三单模光纤一端固定连接有第二单光子探测器。
3、优选的，还包括二维扫描平台，所述二维扫描平台的顶部设置有被测样品。
4、优选的，所述二维扫描平台与所述显微物镜连接，所述二维扫描平台用于实现对被测样品的二维扫描。
5、优选的，还包括符合计数器，所述符合计数器与所述第一单光子探测器、第二单光子探测器相连接，所述符合计数器用于符合计数的测量。
6、优选的，还包括计算机，所述计算机与所述符合计数器电性连接，所述计算机与二维扫描平台电性连接，所述计算机用于控制二维扫描平台的移动、数据处理及图像的显示。
7、优选的，所述偏振分束器第三端口输出的垂直偏振光耦合进通过第二单模光纤进行传输。
8、优选的，所述纠缠光子源用于提供稳定的关联光子对输出，所述纠缠光子源的输出端连接所述偏振分束器，所述偏振分束器用于将纠缠光子源发出的光分成两路传输。
9、优选的，所述准直透镜用于将来自第二单模光纤输出的光进行准直，所述准直透镜与所述分束器连接，所述分束器用于将准直透镜准直后的光分束。
10、基于纠缠光子的量子共聚焦成像装置的使用方法，包括以下步骤：
11、步骤一、纠缠光子源发出的信号光子和闲频光子偏振正交，信号光子和闲频光子通过偏振分束器后被分开，利用第一反射镜和第二反射镜将闲频光子耦合至第一单模光纤中传输后输入至第一单光子探测器收集探测，利用第三反射镜和第四反射镜将信号光子耦合至第二单模光纤中传输后输入至准直透镜进行准直，准直后的光经分束器透射后被显微物镜聚焦到放置在二维扫描平台上的样品上；
12、步骤二、通过计算机控制二维扫描平台的移动，可以使得所述信号光子以逐点扫描的形式聚焦在显微物镜的焦平面上的不同点，当二维扫描平台位置固定时，即信号光子聚焦至样品中一个点时，经样品反射的信号光子通过显微物镜原路返回，经分束器反射后到达光阑，只有在显微物镜的焦平面上反射而来的信号光子才能通过光阑被后面的第五反射镜和第六反射镜耦合至第三单模光纤中，然后被输送到第二单光子探测器进行收集探测；
13、步骤三、在二维扫描平台位置固定时，即信号光子聚焦至样品中一个点时，通过符合计数器对第一单光子探测器和第二单光子探测器探测到的信号进行符合计数，得到符合计数值并输入计算机。计算机控制二维扫描平台的移动，在二维扫描平台的每一个位置下获得符合计数值。计算机根据记录在其中的二维扫描平台的位置信息和对应的符合计数值，重构出被测样品的图像。
14、本专利技术提供了基于纠缠光子的量子共聚焦成像装置和方法。具备以下有益效果：
15、1、本专利技术通过使用单光子进行测量，相比传统激光共聚焦装置中的强光，单光子对生物样品更安全，传统的激光共聚焦装置通常使用强光源，会对生物组织产生热损伤或光化学反应。而本装置采用纠缠光子源产生的纠缠光子对，每次只发射出一对光子，功率较低，从而降低了对生物样品的潜在危害。
16、2、本专利技术采用单光子探测器进行测量，与传统激光共聚焦装置中的功率计探测相比，具有更高的灵敏度。单光子探测器可以检测到单个光子的到达，并将其转化为电信号。这使得装置对光信号的探测更加精确和灵敏，能够捕捉到微弱的光信号，提高了成像的灵敏度。
17、3、本专利技术通过对两个光子探测器的输出进行符合计数，只有同时被两个探测器探测到的光子才会被计数，而来自环境的杂散光在时间上与纠缠光子对的到达时间不匹配，因此可以被滤除，从而提高了图像的信噪比。
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1.基于纠缠光子的量子共聚焦成像装置，其特征在于，包括纠缠光子源(1)、偏振分束器(2)、反射镜组、单模光纤组和分束器(10)，所述反射镜组包括第一反射镜(3)、第二反射镜(4)、第三反射镜(5)、第四反射镜(6)、第五反射镜(14)、第六反射镜(15)，所述单模光纤组包括第一单模光纤(7)、第二单模光纤(8)和第三单模光纤(16)，所述偏振分束器(2)有四个端口，其中第一端口输入的光的水平偏振分量通过第二端口输出，第三端口输出垂直偏振光，两输出端分别与第一反射镜(3)和第三反射镜(5)相连接，所述第二反射镜(4)与第一单模光纤(7)连接，且所述第一单模光纤(7)电性连接有第一单光子探测器(17)，所述第四反射镜(6)与第二单模光纤(8)连接，所述第二单模光纤(8)输出端连接有准直透镜(9)，所述分束器(10)有四个端口，其中第一端口输入的光通过第二端口和第三端口输出，且所述第二端口连接有显微物镜(11)，所述第四端口一侧设置有光阑(13)，且所述光阑(13)与所述第五反射镜(14)连接，所述第六反射镜(15)与第三单模光纤(16)连接，所述第三单模光纤(16)一端固定连接有第二
2.根据权利要求1所述的基于纠缠光子的量子共聚焦成像装置，其特征在于，还包括二维扫描平台(12)，所述二维扫描平台(12)的顶部设置有被测样品(21)。
3.根据权利要求2所述的基于纠缠光子的量子共聚焦成像装置，其特征在于，所述二维扫描平台(12)与所述显微物镜(11)连接，所述二维扫描平台(12)用于实现对被测样品(21)的二维扫描。
4.根据权利要求1所述的基于纠缠光子的量子共聚焦成像装置，其特征在于，还包括符合计数器(19)，所述符合计数器(19)与所述第一单光子探测器(17)、第二单光子探测器(18)相连接，所述符合计数器(19)用于符合计数的测量。
5.根据权利要求4所述的基于纠缠光子的量子共聚焦成像装置，其特征在于，还包括计算机(20)，所述计算机(20)与所述符合计数器(19)电性连接，所述计算机(20)与二维扫描平台(12)电性连接，所述计算机(20)用于控制二维扫描平台(12)的移动、数据处理及图像的显示。
6.根据权利要求1所述的基于纠缠光子的量子共聚焦成像装置，其特征在于，所述偏振分束器(2)第三端口输出的垂直偏振光耦合进通过第二单模光纤(8)进行传输。
7.根据权利要求1所述的基于纠缠光子的量子共聚焦成像装置，其特征在于，所述纠缠光子源(1)用于提供稳定的关联光子对输出，即存在量子关联关系的信号光子和闲频光子输出，所述纠缠光子源(1)的输出端连接所述偏振分束器(2)，所述偏振分束器(2)用于将纠缠光子源(1)发出的光分成两路传输。
8.根据权利要求1所述的基于纠缠光子的量子共聚焦成像装置，其特征在于，所述准直透镜(9)用于将来自第二单模光纤(8)输出的光进行准直，所述准直透镜(9)与所述分束器(10)连接，所述分束器(10)用于将准直透镜(9)准直后的光分束。
9.基于纠缠光子的量子共聚焦成像装置的使用方法，依据权利要求1-9任一项所述的基于纠缠光子的量子共聚焦成像装置，其特征在于，包括以下步骤：
...【技术特征摘要】
1.基于纠缠光子的量子共聚焦成像装置，其特征在于，包括纠缠光子源(1)、偏振分束器(2)、反射镜组、单模光纤组和分束器(10)，所述反射镜组包括第一反射镜(3)、第二反射镜(4)、第三反射镜(5)、第四反射镜(6)、第五反射镜(14)、第六反射镜(15)，所述单模光纤组包括第一单模光纤(7)、第二单模光纤(8)和第三单模光纤(16)，所述偏振分束器(2)有四个端口，其中第一端口输入的光的水平偏振分量通过第二端口输出，第三端口输出垂直偏振光，两输出端分别与第一反射镜(3)和第三反射镜(5)相连接，所述第二反射镜(4)与第一单模光纤(7)连接，且所述第一单模光纤(7)电性连接有第一单光子探测器(17)，所述第四反射镜(6)与第二单模光纤(8)连接，所述第二单模光纤(8)输出端连接有准直透镜(9)，所述分束器(10)有四个端口，其中第一端口输入的光通过第二端口和第三端口输出，且所述第二端口连接有显微物镜(11)，所述第四端口一侧设置有光阑(13)，且所述光阑(13)与所述第五反射镜(14)连接，所述第六反射镜(15)与第三单模光纤(16)连接，所述第三单模光纤(16)一端固定连接有第二单光子探测器(18)。
2.根据权利要求1所述的基于纠缠光子的量子共聚焦成像装置，其特征在于，还包括二维扫描平台(12)，所述二维扫描平台(12)的顶部设置有被测样品(21)。
3.根据权利要求2所述的基于纠缠光子的量子共聚焦成像装置，其特征在于，所述二维扫描平台(12)与所述显微物镜(11)连接，所述二维扫描平台(12)用于实现对被测样品(21)的二维扫描。<...
【专利技术属性】
技术研发人员：金锐博，王宏伟，袁晨智，郑帅君，由成龙，
申请(专利权)人：武汉工程大学，
类型：发明
国别省市：
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