[发明专利]一种基于偏振降噪的单光子成像系统

说明书

本发明公开了一种基于偏振降噪的单光子成像系统，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；偏振分束器将激光分成互相垂直的信号光和泵浦光，垂直偏振信号光经信号光模块转换为水平偏振信号光，与水平偏振泵浦光合束成一路激光，经和频模块转换为和频光，通过单光子探测器对和频光进行探测。该系统通过偏振分束器和检偏器以及波分复用器和合束器的简单组合使用，可有效提升非线性光学的和频效率，提升系统抗噪性能。

技术领域

本发明属于量子技术领域，具体涉及一种基于偏振降噪的单光子成像系统，可广泛应用于高噪声环境下对物体的高精度三维成像。

背景技术

一般的单光子成像系统会采用时频滤波器来提高信号的信噪比，从而提高测量精度。时频滤波器是在信号检测中去除噪声的最佳线性系统，但是在选择效率（即通过滤波器的信号透过率）和噪声滤除效果之间存在一个基本的权衡，当通过滤波器的信号透过率越大时，噪声滤除效果越差，反之当通过滤波器的信号透过率越小时，噪声滤除效果越好。信号选择效率和噪声滤除效果之间的权衡从根本上限制了测量和处理隐藏在强背景噪声中弱信号的能力，这是现代光子学等领域应用面临的重大挑战。

针对上述挑战，单光子成像系统会采用一种基于非线性光学的方法，用于改进时频滤波器固有权衡的问题，这样即使在强干扰噪声的背景下，也可以准确的测量和处理弱信号。具体来说，该方法采用了非线性光学的参量上转换作用，这样并不会破坏信号的量子态，包括它们与其它各方的量子纠缠。

而且单光子成像系统一般基于收发同轴光路，由于光纤脉冲激光器的使用，放大器自发辐射（ASE）噪声会比较显著，ASE噪声会通过成像系统中光学器件的反射进入单光子探测器，严重影响测量结果。激光器产生的ASE噪声与其发射的激光具有相同的光谱并且全时间存在，一般的降噪手段并不能使ASE噪声明显衰减。更重要的是两者的功率成正比，大功率的激光发射必然带来大量的ASE噪声，所以也不能通过使用更大功率的激光以提升信号的信噪比。所以对ASE噪声的有效降噪成为影响成像结果的主要因素。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在提出一种基于偏振降噪的单光子成像系统。具体而言，现有技术中单光子成像系统存在内部产生的和外部产生的两方面噪声，本发明旨在运用偏振降噪的方法，以缓解现有技术中单光子成像系统存在的抗噪能力弱、信噪比低等技术问题。本发明采用以下技术方案：

一种基于偏振降噪的单光子成像系统，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。