【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于光学领域，具体涉及一种压缩光生成装置及检测和测量方法。
技术介绍
1、在精密测量领域，测量精度始终受到限制，如无法同时精确测准一个粒子的位置与动量，这本质上是由量子测不准原理决定的。该测不准原理在微观(微粒子尺度)与宏观(光学成像系统如光学衍射极限)上均有体现，即无论是微观测量还是宏观测量都存在一个精度局限。
2、在现代物理学框架下，采用任何测量技术去测量一个粒子的位置和动量，始终存在位置可观测量的测量误差δx及动量可观测量的测量误差δp，δx与δp的最小值可分别记为δxvac和δpvac，这两个最小值就是测量精度极限。若所测量数据的误差小于对应的最小值，即所测得的位置精度误差小于δxvac或所测得的动量精度误差小于δpvac，则本次测量突破了测量精度极限(标准量子极限)。而压缩光就是一种具备突破测量精度极限的能力的测量工具。
3、近年来，压缩光因其能超越标准量子极限而受到重点关注，广泛应用精密计量、引力波探测、量子计算、量子通信等领域。但压缩光尚无应用在光学成像系统及工业级精密测量技术中，这主要是由于目前的压缩光生成技术无法用于突破光学衍射极限的测量场景(如超分辨成像、粒子捕获与操控等)，而工业级精密测量技术的精度极限就是光学衍射极限。
4、光学衍射极限的数学表达式为0.5λ/na，其中λ指光波长，na是透镜的数值孔径(numerical aperture)。光学衍射极限的物理意义指的是一个透镜成像后，空间尺寸小于0.5λ/na的信息是无法通过光学手段直接获取的。突破光学衍射极
5、目前生成压缩光的技术为自发参量下转换技术(spontaneous parametric down-conversion，spdc)。其中，一种现有的压缩光生成装置的结构如图1所示，包括：泵浦激光器11、非线性晶体12、滤波器13。泵浦激光器11发出的泵浦光进入非线性晶体12，引发光子自发参量下转换过程。这一过程将生成压缩光，压缩光与泵浦光混合在一束光中进入滤波器13，滤波器13会过滤掉泵浦光，经过滤波器13后的光束为提纯后的压缩光。
6、在自发参量下转换过程中，一个激光光子可以激发出两个不同模式的光子，这两个光子在偏振、方向或频率上有所不同。如果泵浦功率足够大，就能激发更多激光光子同时经历这个自发参量下转换过程，即产生高强度的压缩光。由于压缩光与泵浦光混合在一起，提纯难度较大，因此该技术下即使经过滤波器后压缩光的纯度也比较低。另外，自发参量下转换过程对腔的结构、晶体的材料、泵浦光的质量及功率、泵浦位置都有极高的要求，在实验室中生成已比较困难，难以应用。
7、进一步地，激光功率、晶体的非线性感性、相互作用长度和相位匹配决定了压缩光的性能，即突破测量精度极限的能力，但这种性能无法直接观测得出，需要进行专门的装置进行检测。此外，在如图1所示的装置中，泵浦光被晶体后的滤波器滤除，但并不能完全滤除，即自发参量下转换方法中生成的压缩光会混杂着泵浦光。因此，在生成压缩光后，需要对其性能与纯度进行检测。
8、压缩光的外在表现是突破了标准量子极限，这是由于其内在的光子关联性质决定的。因此对压缩光的表征就是测量压缩光的内在光子对关联。
9、量子压缩光的内在空间模式关联可表示为：
10、
11、其中，压缩参数τ是一个复数，|τ|表示τ的模值，τ的模值越大，则说明压缩光的性能越好，其应用于测量时获得的精度越高；θ是τ的幅角，决定了压缩方向。等式左边|τ>表示压缩光。cosh(·)指双曲余弦函数，cosh|τ|表示求|τ|的双曲余弦函数值。k为一个整数，表示某个模态中的光子数。σ为求和符号，表示对k＝0到无穷∞的各项数值进行求和。(-1)k表示-1的k次幂的数值。exp(·)为指数函数。exp(ikθ)表式对ikθ进行指数运算。tanh(·)指双曲正切函数，tanhk|τ|表示先对|τ|进行双曲正切函数值计算，再进行k次幂运算。|k,k>表示有压缩光中的光子有两个模态，且两个模态中的光子数相等，均为k。
12、该表达式表明了量子压缩光的内在光子对关联为：只有|k,k>态光子对存在。对压缩光的内在光子关联进行测量的原理，可表示为：
13、
14、其中，n和m均为非负整数，分别表示两个模态中的光子数。<n,m|表示双模光子数态；双模光子数态有两个模态，其中一个模态的光子数为n，另一个模态的光子数为m。|τ>表示压缩光。<n,m|τ>表示对双模光子数态<n,m|与压缩光|τ>进行内积运算(内积运算为量子光学中的常见运算方式)。cn,m表示双模光子数态<n,m|与压缩光|τ>内积运算的数值，该数值是一个非零实数。如果cn,m为零，则表明压缩光|τ>中不存在双模光子数态<n,m|；如果cn,m为非零，则表明压缩光|τ>中存在双模光子数态<n,m|；且cn,m的数值越大，则说明压缩光|τ>中的双模光子数态<n,m|的存在数量越多。cn,m的数值只有0和非0两种结果。当双模光子数态<n,m|的两个模态中的光子数相等即n＝m时，cn,m为非0；当双模光子数态<n,m|的两个模态中的光子数不相等即n≠m时，cn,m为0。上式表明，压缩光中只存在光子数相等的两个模态。理论上，n和m的取值为0到∞的正整数，但在实际的应用中n和m可以只取有限个数据。在本实施例中，n和m的取值为0到10之间的11个正整数，即对量子压缩光的内在光子关联的测量结果为一个对角非0的11×11阶矩阵，该矩阵的横纵变量为每个模态的光子数n和m，cn,m代表矩阵中任一个元素的数值。
15、图2给出了一种现有的压缩光检测装置，其可以检测如图1所示的装置生成的压缩光的性能。该检测装置包括：分束器21，以及完全相同的第一光子计数器件22和第二光子计数器件23。其中，如图1所示的装置生成的压缩光首先入射到分束器21中，压缩光中包含有两种模态的光子会被分束器分开，一种模态的光子直接透射过分数器后进入第一光子计数器件22，另一种模式态的光子将发生90°折射进入第二光子计数器件23。
16、该检测装置中每个光子计数器可测量得到输入光子对应的内在光子关联矩阵cn,m＝<n,m|τ>，非对角项为零是压缩光的一个显著特点，当n＝m时，cn,m≠0。可根据内在光子关联矩阵计算得出所生成压缩光的性能与纯度，因此，压缩光的检测装置的作用为测量出压缩光的内在光子关联矩阵。但是，该检测装置的不足之处在于其装置结构比较复杂，需要先用分束器分光，再用两个光子计数器同步进行检测，如果两个光子计数器的检测不是同步的，则检测结果会发生较大误差。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种压缩光生成装置及检测和测量方法。本专利技术生成装置结本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种压缩光生成装置，其特征在于，包括：泵浦激光器、第一空间光调制器、滤波器；所述泵浦激光器用于激发泵浦光并入射至所述第一空间光调制器；所述第一空间光调制器利用预先加载的用于生成压缩光的数字全息模板将射入的所述泵浦光部分转化为压缩光，并将所述压缩光与未转化的泵浦光在空间上进行分离，然后将分离后的所述压缩光与所述未转化的泵浦光组成入射光束入射至所述滤波器，所述滤波器用于滤除所述入射光束中的所述未转化的泵浦光，最终输出提纯后的所述压缩光。
2.根据权利要求1所述的生成装置，其特征在于，所述用于生成压缩光的数字全息模板为一个数字矩阵，该数字矩阵被导入所述第一空间光调制器并投影在所述第一空间光调制器的屏幕上；所述用于生成压缩光的数字全息模板通过光学衍射对入射的泵浦光进行转化，其中转化后得到的压缩光沿一个方向出射，其余未转化的泵浦光则沿其它方向出射。
3.根据权利要求2所述的生成装置，其特征在于，所述数字全息模板的表达式如下：
4.根据权利要求3所述的生成装置，其特征在于，还包括：
5.一种基于如权利要求4所述生成装置的压缩光生成方法，其特
6.一种对如权利要求4所述生成装置生成的压缩光的检测方法，其特征在于，包括：
7.根据权利要求6所述的检测方法，其特征在于，所述压缩光的性能参数的计算表达式如下；
8.根据权利要求7所述的检测方法，其特征在于，还包括：
9.一种对如权利要求4所述生成装置生成的压缩光的测量方法，其特征在于，包括：
10.根据权利要求9所述的测量方法，其特征在于，所述对输入该压缩光测量装置的压缩光进行相位重建，包括：
...【技术特征摘要】
1.一种压缩光生成装置，其特征在于，包括：泵浦激光器、第一空间光调制器、滤波器；所述泵浦激光器用于激发泵浦光并入射至所述第一空间光调制器；所述第一空间光调制器利用预先加载的用于生成压缩光的数字全息模板将射入的所述泵浦光部分转化为压缩光，并将所述压缩光与未转化的泵浦光在空间上进行分离，然后将分离后的所述压缩光与所述未转化的泵浦光组成入射光束入射至所述滤波器，所述滤波器用于滤除所述入射光束中的所述未转化的泵浦光，最终输出提纯后的所述压缩光。
2.根据权利要求1所述的生成装置，其特征在于，所述用于生成压缩光的数字全息模板为一个数字矩阵，该数字矩阵被导入所述第一空间光调制器并投影在所述第一空间光调制器的屏幕上；所述用于生成压缩光的数字全息模板通过光学衍射对入射的泵浦光进行转化，其中转化后得到的压缩光沿一个方向出射，其余未转...
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。