[发明专利]一种基于偏振降噪的单光子成像系统

权利要求书

1.一种基于偏振降噪的单光子成像系统，其特征在于，包括激光器、偏振分束器、信号光模块、泵浦光模块、合束器、和频模块、单光子探测器：

所述偏振分束器，与所述激光器相连，将激光分成两路偏振态互相垂直的线偏振光，偏振信号光和偏振泵浦光；

所述信号光模块与所述偏振分束器连接，接收所述偏振分束器输出的偏振信号光，改变偏振信号光的输出方向，运用在目标物体表面产生漫反射的退偏振效应，选择出与输入偏振信号光偏振方向相垂直的且携带有目标物体被测量点距离信息的偏振信号光，传输至所述合束器，其中目标物体被测量点距离信息即信号光的光程；

所述泵浦光模块与所述偏振分束器连接，接收所述偏振分束器输出的偏振泵浦光，改变偏振泵浦光的光程，使其光程与所述信号光模块输出的所述偏振信号光的光程相同，并将改变光程后的偏振泵浦光传输至所述合束器；

所述合束器分别与所述信号光模块和所述泵浦光模块连接，将所述信号光模块和所述泵浦光模块输出的偏振信号光和偏振泵浦光合束成一路激光；

所述和频模块，与所述合束器相连，包括和频晶体和滤波器，产生二阶非线性光学的参量上转换效应，将合束器输出的激光转换为和频光，并去除噪声；

所述单光子探测器，与所述和频模块相连，探测所述和频模块输出的和频光。

2.根据权利要求1所述的基于偏振降噪的单光子成像系统，其特征在于，所述信号光模块包括信号光模块波分复用器、光纤环形器、光纤准直器、MEMS振镜、检偏器；所述信号光模块波分复用器，与所述偏振分束器相连，用于将激光按不同波长分束；所述光纤环形器，与所述信号光模块波分复用器相连，用于同轴传输激光；光纤准直器，与所述光纤环形器相连，用于将激光从光纤中发射到空间中，并且将反射的激光从空间中耦合到光纤中；MEMS振镜，位于空间中，用于在空间中改变激光传输方向，为三维成像提供二维方位信息；检偏器，与所述光纤环形器相连，包括偏振分束机构，与所述偏振分束器方向互相垂直，用于对激光的检偏。

3.根据权利要求2所述的基于偏振降噪的单光子成像系统，其特征在于，所述泵浦光模块包括泵浦光模块波分复用器、光学延迟器，所述泵浦光模块波分复用器，与所述偏振分束器相连，用于将激光按不同波长分束；光学延迟器，与所述泵浦光模块波分复用器相连，用于改变激光光程，使得分束后的两路激光光程相同，为三维成像提供一维深度信息。

4.根据权利要求3所述的基于偏振降噪的单光子成像系统，其特征在于，所述信号光模块波分复用器输出激光波长为1554.1nm，所述泵浦光模块波分复用器输出激光波长为1565.5nm。

5.根据权利要求1-4任一项所述的基于偏振降噪的单光子成像系统，其特征在于，所述激光器为光纤脉冲激光器，重复率为50MHz，中心波长为1560nm。

6.根据权利要求1-4任一项所述的基于偏振降噪的单光子成像系统，其特征在于，所述合束器中包括：合束器波分复用器，输入激光波长为1554.1nm和1565.5nm。

7.一种基于偏振降噪的单光子成像方法，其特征在于，采用如权利要求3或4所述的基于偏振降噪的单光子成像系统进行三维成像，包括以下步骤：

S1，激光器发射激光，利用偏振分束器分束得到偏振态相互垂直的偏振信号光和偏振泵浦光，控制MEMS振镜旋转到一角度，使得偏振信号光对准目标物体一位置，为目标物体的被测量点，输出该被测量点的二维方位信息；

S2，偏振信号光通过信号光模块以及偏振泵浦光通过泵浦光模块后，经合束器合束，输入和频模块得到和频光，利用单光子探测器对和频光进行测量；

S3，控制光学延迟器通过步进的方式从最小一端移动到最大一端，同步进行单光子探测器计数；

S4，寻找出单光子探测器计数最大时，光学延迟器的移动距离，输出被测量点的一维深度信息；

S5，重复步骤S1-S4，完成至少40×40=1600个被测量点的测量，获取目标物体三维信息；

S6，用点云三维重建方法对获取的目标物体三维信息进行处理，实现目标物体的三维成像。

8.根据权利要求7所述的基于偏振降噪的单光子成像方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下子步骤：

（1）偏振信号光经过信号光模块波分复用器输出波长为1554.1nm的激光，经过光纤环形器、光纤准直器、MEMS振镜发射到目标物体表面；在目标物体表面上发生漫反射，偏振信号光退偏振变为随机偏振信号光；随机偏振信号光经过MEMS振镜、光纤准直器、光纤环形器输入检偏器；由于检偏器和偏振分束器方向互相垂直，随机偏振信号光变为和前述偏振信号光相垂直的偏振信号光；

（2）偏振泵浦光经过泵浦光模块波分复用器输出波长为1565.5nm的激光，并输入光学延迟器；光学延迟器不改变偏振泵浦光的偏振状态；

（3）将步骤（1）得到的偏振信号光和步骤（2）得到的偏振泵浦光合束，输入和频模块；在和频模块中，合束后的激光发生参量上转换效应，得到和频光；用单光子探测器对和频光进行测量。