本發(fā)明涉及基于奇偶探測策略的超分辨量子干涉測量系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

干涉儀是現(xiàn)代光學(xué)測量技術(shù)中最基礎(chǔ)也最常用的系統(tǒng)。當(dāng)兩束相干電磁波發(fā)生干涉，例如楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)或是標(biāo)準(zhǔn)的馬赫曾德爾(MZ)干涉儀中發(fā)生的情況，在接收屏上能看到一個(gè)強(qiáng)度隨干涉儀兩臂光程差變化而變化的干涉條紋圖樣，該圖樣的變化周期由電磁場的波長λ決定。通常我們將引起干涉光強(qiáng)變化二分之一周期的光程差(相位差)變化稱為干涉儀的標(biāo)準(zhǔn)分辨率極限，即λ/2π。從相位探測的角度來看，該分辨率是固定的，無法通過換用短波長電磁波進(jìn)行干涉來提高，對(duì)于需要更高相位探測分辨率的場合，經(jīng)典干涉儀就無法再滿足要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有干涉儀分辨率低的缺點(diǎn)，而提出一種一種基于奇偶探測策略的超分辨量子干涉測量系統(tǒng)及方法。

一種基于奇偶探測策略的超分辨量子干涉測量系統(tǒng)，其特征在于它包括：同步信號(hào)器(1)、脈沖激光器(2)、奇偶探測器(9)、干涉儀(10)；

所述奇偶探測器(9)包括光子數(shù)分辨計(jì)數(shù)器(7)和控制及信號(hào)處理系統(tǒng)(8)；

同步信號(hào)器(1)產(chǎn)生兩束同步信號(hào)，一束同步信號(hào)傳輸?shù)矫}沖激光器(2)，驅(qū)動(dòng)脈沖激光器(2)產(chǎn)生脈沖激光，脈沖激光經(jīng)干涉儀產(chǎn)生兩束脈沖激光，選擇其中任意一束脈沖激光傳輸至光子數(shù)分辨計(jì)數(shù)器(7)，光子數(shù)分辨計(jì)數(shù)器(7)對(duì)脈沖激光進(jìn)行探測；將探測結(jié)果傳輸至控制及信號(hào)處理系統(tǒng)(8)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及顯示；

另一束同步信號(hào)傳輸?shù)娇刂萍靶盘?hào)處理系統(tǒng)(8)，控制及信號(hào)處理系統(tǒng)(8)控制光子數(shù)分辨計(jì)數(shù)器(7)的快門開門準(zhǔn)備接收經(jīng)干涉儀(10)的出射端口發(fā)出的脈沖激光。

一種基于奇偶探測策略的超分辨量子干涉測量方法具體是按照以下步驟進(jìn)行的；

步驟一、脈沖激光器(2)產(chǎn)生波函數(shù)為|α〉的單模相干態(tài)脈沖激光入射到干涉儀(10)一入射端口，干涉儀另一入射端口以真空態(tài)|0>入射；則干涉儀的入射光場波函數(shù)為|ψ_in>＝|α〉|0>；

步驟二、干涉儀兩干涉臂相位差為則干涉儀入射光場經(jīng)干涉儀干涉后獲得干涉儀的出射光場波函數(shù)為

步驟三、光子數(shù)分辨計(jì)數(shù)器(7)對(duì)步驟二中獲得的干涉儀的出射光場波函數(shù)進(jìn)行探測，探測每次脈沖激光傳輸至光子數(shù)分辨計(jì)數(shù)器(7)的光子數(shù)個(gè)數(shù)，即可獲得奇偶探測算符的平均值為

本發(fā)明的有益效果為：

奇偶探測器(9)包括光子數(shù)分辨計(jì)數(shù)器(7)和控制及信號(hào)處理系統(tǒng)(8)；一方面可以控制位于干涉儀出射端口的光子數(shù)分辨計(jì)數(shù)器(6)的快門開門準(zhǔn)備接收干涉儀出射的光脈沖，另一方面也能接收計(jì)數(shù)器的探測結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及顯示。激光脈沖經(jīng)非偏振分光棱鏡1(3)分束后在干涉儀兩臂中傳輸而攜帶了干涉儀兩臂的光程信息，于非偏振分光棱鏡2(4)處發(fā)生干涉后兩臂的光程差(相位差)信息將反應(yīng)在干涉儀兩出射端口的光子數(shù)分布上。選取任意一個(gè)出射端口經(jīng)奇偶探測模塊進(jìn)行量子奇偶探測即可獲得與干涉儀兩臂相位差相關(guān)的干涉條紋，該條紋相較經(jīng)典干涉儀具有更高的條紋銳度且條紋銳度隨著干涉光強(qiáng)的提高而增高，這使得本系統(tǒng)具有更高的相位探測靈敏度。

本發(fā)明公開了一種基于奇偶探測策略的超分辨量子干涉測量系統(tǒng)。干涉儀的干涉條紋寬度決定了其探測分辨率，經(jīng)典激光干涉儀的標(biāo)準(zhǔn)分辨率極限為λ/2，換算為相位即π。通過提高干涉條紋的銳度可以有效的提高干涉儀的探測分辨率。本發(fā)明利用光場的粒子性，在干涉儀的出射端口采用光子數(shù)分辨探測器進(jìn)行量子奇偶探測，所獲得的干涉條紋峰寬為經(jīng)典探測儀的N為入射光場的平均光子數(shù)。因此該系統(tǒng)具有高于干涉儀標(biāo)準(zhǔn)分辨率極限的超分辨探測性能，且分辨率隨著干涉光強(qiáng)的增強(qiáng)而變高。

如圖4所示，本發(fā)明奇偶探測策略下干涉條紋在附加相位為-3時(shí)，奇偶探測算符的平均值為0，現(xiàn)有強(qiáng)度差探測的歸一化干涉條紋在附加相位為-3時(shí)，奇偶探測算符的平均值為-1；本發(fā)明奇偶探測策略下干涉條紋在附加相位為-1時(shí)，奇偶探測算符的平均值為0，現(xiàn)有強(qiáng)度差探測的歸一化干涉條紋在附加相位為-1時(shí)，奇偶探測算符的平均值為0.6；本發(fā)明奇偶探測策略下干涉條紋在附加相位為0時(shí)，奇偶探測算符的平均值為1，現(xiàn)有強(qiáng)度差探測的歸一化干涉條紋在附加相位為0時(shí)，奇偶探測算符的平均值為1；本發(fā)明奇偶探測策略下干涉條紋在附加相位為1時(shí)，奇偶探測算符的平均值為0，現(xiàn)有強(qiáng)度差探測的歸一化干涉條紋在附加相位為1時(shí)，奇偶探測算符的平均值為0.6；本發(fā)明奇偶探測策略下干涉條紋在附加相位為3時(shí)，奇偶探測算符的平均值為0，現(xiàn)有強(qiáng)度差探測的歸一化干涉條紋在附加相位為3時(shí)，奇偶探測算符的平均值為-1；

可看出本發(fā)明提出的奇偶探測方法的信號(hào)峰比傳統(tǒng)強(qiáng)度差探測的信號(hào)峰窄得多，按照經(jīng)典的半峰寬的分辨率定義，本專利奇偶探測方法的分辨率可以得到極大的提高，從而實(shí)現(xiàn)超分辨的性能優(yōu)勢。

附圖說明

圖1為基于奇偶探測策略的超分辨量子干涉測量系統(tǒng)A框圖；

圖2為基于奇偶探測策略的超分辨量子干涉測量系統(tǒng)B框圖；

圖3為干涉儀光路示意圖，A、B為干涉儀入射端口，C、D為干涉儀出射端口；

圖4為奇偶探測策略下干涉條紋與歸一化強(qiáng)度差干涉條紋的對(duì)比圖。

具體實(shí)施方式

具體實(shí)施方式一：結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，一種基于奇偶探測策略的超分辨量子干涉測量系統(tǒng)，其特征在于它包括：同步信號(hào)器(1)、脈沖激光器(2)、奇偶探測器(9)、干涉儀(10)；

所述奇偶探測器(9)包括光子數(shù)分辨計(jì)數(shù)器(7)和控制及信號(hào)處理系統(tǒng)(8)；

同步信號(hào)器(1)產(chǎn)生兩束同步信號(hào)，一束同步信號(hào)傳輸?shù)矫}沖激光器(2)，驅(qū)動(dòng)脈沖激光器(2)產(chǎn)生脈沖激光，脈沖激光經(jīng)干涉儀(10)產(chǎn)生兩束脈沖激光，選擇其中任意一束脈沖激光傳輸至光子數(shù)分辨計(jì)數(shù)器(7)，光子數(shù)分辨計(jì)數(shù)器(7)對(duì)脈沖激光進(jìn)行探測；將探測結(jié)果傳輸至控制及信號(hào)處理系統(tǒng)(8)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及顯示；

另一束同步信號(hào)傳輸?shù)娇刂萍靶盘?hào)處理系統(tǒng)(8)，控制及信號(hào)處理系統(tǒng)(8)控制光子數(shù)分辨計(jì)數(shù)器(7)的快門開門準(zhǔn)備接收經(jīng)干涉儀(10)的出射端口發(fā)出的脈沖激光。

這里的意思是只有光源發(fā)射對(duì)探測有用的脈沖激光后，探測器的快門才開門準(zhǔn)備探測，否則快門關(guān)閉，避免接收雜光。

具體實(shí)施方式二：結(jié)合圖2說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是：所述干涉儀(10)包括第一非偏振分光棱鏡(3)、第一全反射鏡(4)、第二全反射鏡(5)和第二非偏振分光棱鏡(6)；

同步信號(hào)器(1)產(chǎn)生兩束同步信號(hào)，一束同步信號(hào)傳輸?shù)矫}沖激光器(2)，驅(qū)動(dòng)脈沖激光器(2)產(chǎn)生脈沖激光，脈沖激光經(jīng)過第一非偏振分光棱鏡(3)分成兩束，一束經(jīng)過第一全反射鏡(4)反射到達(dá)第二非偏振分光棱鏡(6)，另一束經(jīng)過第二全反射鏡(5)反射到達(dá)第二非偏振分光棱鏡(6)，兩束到達(dá)第二非偏振分光棱鏡(6)的激光脈沖進(jìn)行干涉，經(jīng)第二非偏振分光棱鏡(6)分成兩束激光脈沖；選擇其中任意一束脈沖激光傳輸至光子數(shù)分辨計(jì)數(shù)器(7)，光子數(shù)分辨計(jì)數(shù)器(7)對(duì)脈沖激光進(jìn)行探測；將探測結(jié)果傳輸至控制及信號(hào)處理系統(tǒng)(8)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及顯示。

原理：同步信號(hào)器(1)產(chǎn)生同步信號(hào)分成兩束，一束同步信號(hào)傳輸?shù)矫}沖激光器(2)，驅(qū)動(dòng)脈沖激光器(2)產(chǎn)生激光脈沖，激光脈沖經(jīng)干涉儀產(chǎn)生兩束激光脈沖，其中一束激光脈沖傳輸至光子數(shù)分辨計(jì)數(shù)器(7)，將光子數(shù)分辨計(jì)數(shù)器的探測結(jié)果傳輸至控制及信號(hào)處理系統(tǒng)(8)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及顯示；

另一束同步信號(hào)傳輸?shù)娇刂萍靶盘?hào)處理系統(tǒng)(8)，控制及信號(hào)處理系統(tǒng)(8)控制光子數(shù)分辨計(jì)數(shù)器(7)的快門開門準(zhǔn)備接收經(jīng)第二非偏振分光棱鏡(6)后的激光脈沖。

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式三：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一或二不同的是：所述干涉儀為馬赫曾德爾干涉儀(MZI)。

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一或二相同。

具體實(shí)施方式四：結(jié)合圖3說明本實(shí)施方式，一種基于奇偶探測策略的超分辨量子干涉測量方法，其特征在于：一種基于奇偶探測策略的超分辨量子干涉測量方法具體是按照以下步驟進(jìn)行的；

步驟一、脈沖激光器(2)產(chǎn)生波函數(shù)為|α>的單模相干態(tài)脈沖激光入射到干涉儀(10)一入射端口，干涉儀另一入射端口以真空態(tài)|0>入射；則干涉儀的入射光場波函數(shù)為|ψ_in>＝|α>|0>；

步驟二、干涉儀兩干涉臂相位差為則干涉儀入射光場經(jīng)干涉儀干涉后獲得干涉儀的出射光場波函數(shù)為

步驟三、光子數(shù)分辨計(jì)數(shù)器(7)對(duì)步驟二中獲得的干涉儀的出射光場波函數(shù)進(jìn)行探測，探測每次脈沖激光傳輸至光子數(shù)分辨計(jì)數(shù)器(7)的光子數(shù)個(gè)數(shù)，即可獲得奇偶探測算符的平均值為

具體實(shí)施方式五：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式四不同的是：所述步驟二中干涉儀兩干涉臂相位差為則干涉儀入射光場經(jīng)干涉儀干涉后獲得干涉儀的出射光場波函數(shù)；具體過程為：

入射光場波函數(shù)經(jīng)第一非偏振分光棱鏡(3)作用后波函數(shù)由|ψ_in>＝|α>|0>變?yōu)椋?/p>

$|{\mathrm{\ψ}}^{\′}\>=|\frac{\mathrm{\α}}{\sqrt{2}}\>|\frac{i\mathrm{\α}}{\sqrt{2}}\>---\left(3\right)$

其中，i為虛數(shù)單位，|ψ'>為入射光場波函數(shù)經(jīng)第一非偏振分光棱鏡(3)作用后的波函數(shù)；

由于干涉儀兩干涉臂相位差為則式(3)所示波函數(shù)的光場在干涉儀中傳播后，到達(dá)第二非偏振分光棱鏡(6)之前的波函數(shù)變?yōu)椋?/p>

式中，|ψ”>為入射光場波函數(shù)到達(dá)第二非偏振分光棱鏡(6)之前的波函數(shù)；

式(3)所示波函數(shù)的光場在第二非偏振分光棱鏡(6)處發(fā)生干涉從而獲得干涉儀出射光場波函數(shù)為：

式中，e為自然底數(shù)，i為復(fù)數(shù)單位。

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式五相同。

具體實(shí)施方式六：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式五不同的是：所述步驟三中光子數(shù)分辨計(jì)數(shù)器(7)對(duì)步驟二中獲得的干涉儀的出射光場波函數(shù)進(jìn)行探測，探測每次脈沖激光傳輸至光子數(shù)分辨計(jì)數(shù)器(7)的光子數(shù)個(gè)數(shù)，即可獲得奇偶探測算符的平均值；具體過稱為：干涉儀出射端口C、D分別探測到n及m個(gè)光子數(shù)的概率為

其中，為出射光場密度矩陣；

干涉儀出射端口C、D分別探測到n及m個(gè)光子數(shù)的概率的具體表達(dá)式如下：

exp()為函數(shù)，|a|為α的模；

對(duì)每次脈沖激光傳輸?shù)礁缮鎯x出射端口C時(shí)出射的光子數(shù)個(gè)數(shù)n求奇偶探測算符的平均值該值的大小隨干涉儀兩臂的相位差所表現(xiàn)出的周期性變化即干涉條紋，其峰寬為經(jīng)典探測儀的N為入射光場的平均光子數(shù)；

奇偶探測算符的具體公式為：

當(dāng)干涉儀的出射端口C出射的光子數(shù)個(gè)數(shù)n為奇數(shù)時(shí)，取-1；

當(dāng)干涉儀的出射端口C出射的光子數(shù)個(gè)數(shù)n為偶數(shù)時(shí)，取+1；

則的取值概率P(±)由n取奇數(shù)或偶數(shù)時(shí)的概率P(n,m)求和得到，則根據(jù)(6)式，有

式中，even or odd n為n為奇數(shù)或偶數(shù)；

式(3)為所有n為奇數(shù)的項(xiàng)求和或所有n為偶數(shù)的項(xiàng)求和；所有n為奇數(shù)的情況式(7)中P(±)取P(-)，所有n為偶數(shù)的情況式(7)中P(±)取P(+)；

則P(+)+P(-)＝1，且

|α|²取100時(shí)隨的變換情況如圖4所示，在同一圖中我們還畫出了經(jīng)典的歸一化強(qiáng)度差探測曲線以作比較。可以看到干涉條紋相比經(jīng)典干涉儀的光強(qiáng)干涉條紋具有明顯的亞瑞利衍射極限窄峰型超分辨率特征。這些特征對(duì)于小回波光子數(shù)的激光雷達(dá)測距和激光多普勒測速系統(tǒng)是非常有用的。人們可以在激光測距和測速系統(tǒng)中鎖定這種特征，然后利用干涉儀中的實(shí)時(shí)負(fù)反饋系統(tǒng)觀察這一特征如何隨時(shí)間變化，從而確定目標(biāo)的移動(dòng)速度等被探測信息。

各次脈沖到來時(shí)探測到的光子數(shù)都將被傳輸?shù)娇刂萍靶盘?hào)處理系統(tǒng)(7)進(jìn)行奇偶光子數(shù)統(tǒng)計(jì)處理以獲取高銳度的干涉條紋。

為了定量的說明干涉條紋的中心窄峰的性質(zhì)，我們引入小角度附加相位近似將(8)式寫為

由于時(shí)，則(8)式可近似為：

這是一個(gè)典型的高斯型分布，半高寬度為考慮到|α|²即相干態(tài)的平均光子數(shù)。則當(dāng)入射光場平均光子數(shù)取100時(shí)，則峰寬為經(jīng)典干涉儀光強(qiáng)干涉條紋的1/10，具有10重超分辨特征。

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式四或五相同。

具體實(shí)施方式七：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式四至六之一不同的是：所述脈沖激光器(2)以1MHz的頻率輸出寬度為100ns的脈沖激光。

所述脈沖激光器(2)為長春新產(chǎn)業(yè)光電技術(shù)有限公司的型號(hào)為MSL-III-532-AOM的產(chǎn)品。

所述光子數(shù)分辨計(jì)數(shù)器(7)為美國LASER COMPONENTS的COUNT-100C-FC Gm-APD探測器模塊，控制及信號(hào)處理系統(tǒng)(8)為裝配了德國Becker&Hickl GmbH公司制造的16通道時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)卡DPC-230的計(jì)算機(jī)。

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式四至六之一相同。

采用以下實(shí)施例驗(yàn)證本發(fā)明的有益效果：

實(shí)施例一：

如圖2所示，本實(shí)施例一種基于奇偶探測策略的超分辨量子干涉測量系統(tǒng)及方法具體是按照以下步驟制備的：

任意選擇一個(gè)干涉儀的出射端口利用光子數(shù)分辨探測器探測獲取每次脈沖到來時(shí)從該端口出射的光子數(shù)個(gè)數(shù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)求得奇偶算符的平均值，該平均值的大小隨干涉儀兩臂的相位差所表現(xiàn)出的周期性變化即干涉條紋，其峰寬為經(jīng)典干涉儀的N為光場的平均光子數(shù)。在相位分辨率最高可達(dá)經(jīng)典干涉儀的倍

如圖2所示的干涉儀示意圖，激光器產(chǎn)生的單模相干態(tài)光場波函數(shù)為|a>，干涉儀入射端口B空置為真空態(tài)|0>，則干涉儀入射光場為|ψ_in>＝|α>|0>，在干涉儀順時(shí)針光路引入一個(gè)附加相位則干涉儀的出射光場波函數(shù)為

干涉儀出射端口C、D分別探測到n及m個(gè)光子數(shù)的概率為其中，為出射光場密度矩陣；

干涉儀出射端口C、D分別探測到n及m個(gè)光子數(shù)的概率的具體表達(dá)式如下：

式中，exp()為函數(shù)，|a|為α的模。

奇偶探測策略即任選一個(gè)干涉儀出射端口探測每次脈沖到來時(shí)所包含的光子數(shù)并求取奇偶探測算符的平均值在這里我們選取出射端口C以作說明。不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)從C端口出射的光子數(shù)為奇數(shù)時(shí)取-1，當(dāng)從C端口出射的光子數(shù)為偶數(shù)時(shí)取+1。則的取值概率P(±)可由n取奇數(shù)或偶數(shù)時(shí)的概率P(n,m)求和而得，則根據(jù)(2)式，有

則P(+)+P(-)＝1，且

|α|²取100時(shí)隨的變換情況如圖4所示，在同一圖中我們還畫出了經(jīng)典的歸一化強(qiáng)度差探測曲線以作比較。可以看到干涉條紋相比經(jīng)典干涉儀的光強(qiáng)干涉條紋具有明顯的壓瑞利衍射極限窄峰型超分辨率特征。這些特征對(duì)于小回波光子數(shù)的激光雷達(dá)測距和激光多普勒測速系統(tǒng)是非常有用的。人們可以在激光測距和測速系統(tǒng)中鎖定這種特征，然后利用干涉儀中的實(shí)時(shí)負(fù)反饋系統(tǒng)觀察這一特征如何隨時(shí)間變化，從而確定目標(biāo)的移動(dòng)速度等被探測信息。

為了定量的說明干涉條紋的中心窄峰的性質(zhì)，我們引入小角度近似將(4)式寫為

這是一個(gè)典型的高斯型分布，半高寬度為考慮到|α|²及相干態(tài)的平均光子數(shù)，令為N。則當(dāng)入射光場平均光子數(shù)取100時(shí)，則峰寬為經(jīng)典干涉儀光強(qiáng)干涉條紋的1/10，具有10重超分辨特征。

實(shí)施例二：

如圖4所示，本發(fā)明采用的是光子數(shù)分辨探測器，這種探測器可以分辨具有不同光子數(shù)的入射態(tài)，其探測效率可以達(dá)到0.95，每秒鐘暗計(jì)數(shù)約400次。因?yàn)榕cAPD同位光子量級(jí)的探測器，在具有很大的增益效果的同時(shí)，也需要在每次探測響應(yīng)后有一定時(shí)間來抑制飽和電流并重置探測器狀態(tài)以準(zhǔn)備下一次探測，即死時(shí)間。現(xiàn)有光子數(shù)分辨探測器的死時(shí)間約為1us。為了適應(yīng)探測器的這一特性，我們使激光器以1MHz的頻率輸出寬度為100ns的激光脈沖，則通過同步信號(hào)及控制系統(tǒng)的控制使得脈沖到達(dá)探測器時(shí)探測器都能正常進(jìn)行探測。

按照整個(gè)系統(tǒng)框圖1的過程進(jìn)行探測，我們得到了本專利提出的奇偶探測的結(jié)果和傳統(tǒng)強(qiáng)度差探測方法的結(jié)果，如圖4所示。可以看出本專利提出的奇偶探測方法的信號(hào)峰比傳統(tǒng)強(qiáng)度差探測的信號(hào)峰窄得多，按照經(jīng)典的半峰寬的分辨率定義，本專利奇偶探測方法的分辨率可以得到極大的提高，從而實(shí)現(xiàn)超分辨的性能優(yōu)勢。

本發(fā)明還可有其它多種實(shí)施例，在不背離本發(fā)明精神及其實(shí)質(zhì)的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員當(dāng)可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。