基于偏振纠缠光子对的单光子源

提出了一种基于参量下转换纠缠光子对获得单光子源的实验方案,并对实验的光路、数据采集方面做了详细介绍.实验结果显示,由此方案获得的单光子源的品质要优于弱相干光式的单光子源两个数量级,即多光子光脉冲出现的概率降低了100倍.实验结果表明此方案有望得到实际应用. 关键词： 单光子源 参量下转换 反符合测量     

基于InAs单量子点的单光子干涉

利用分子束外延生长 InAs 单量子点样品,测量了温度为 5 K 时单量子点的荧光(PL)光谱.采用时间关联光子强度测量(HBT)验证了 PL 光谱具有单光子发射特性.单光子通过马赫曾德尔 (MZ) 干涉仪,验证了单光子自身具有干涉特性.测量了当 MZ 干涉仪两臂偏振方向的夹角改变时对应的单光子干涉及条纹可见度的变化. 关键词： 量子点单光子源 反群聚效应 马赫曾德尔干涉     

用单光子计数系统检测微弱光信号

阐述了单光子计数实验中采用脉冲幅度甄别器和光子计数器测量光子数的实验原理,绘制了不同光照时间下的实验曲线,讨论了可能影响实验测量精度及产生误差的原因.     

单光子时间测量中的多光子修正

建立了闪烁晶体荧光的单光子时间测量中的多光子修正函数,研究了该函数对衰减时间测量的影响,给出了时间测量谱的修正公式.     

光子计数器的线性测量和修正

依据自发参量下转换过程中泵浦光功率和相关光子的线性关系,搭建了光子计数器线性测量实验装置,分析了光子计数器非线性误差产生的机理,探讨其线性应用条件和修正方法.通过调节泵浦光功率改变入射至光子计数器的相关光子速率,实现了光子计数器线性的测量,并对实验测量值进行了修正.结果表明,通过线性测量和修正可以提高单光子计数器测量准确度,降低光子计数器的非线性误差,其入射光子速率最大线性工作范围可由10~5s~(-1)扩大到10~7s~(-1).     

基于标准探测器的硅单光子雪崩探测器探测效率测量

针对硅单光子雪崩探测器探测效率高准确度测量的需要,建立了一套溯源至标准探测器的硅单光子探测器探测效率测量装置。首先通过大动态范围高精度衰减产生光子数已知的准单光子源来校准探测器的探测效率,其次对影响探测效率测量的后脉冲概率和死时间进行了分析与测量,最后系统分析了各测量不确定度的来源,实现了硅单光子雪崩探测器在632.8nm波长处探测效率测量不确定度达到0.6%(k=2)。该装置采用超连续谱光源与单色仪组合输出单色光源,结合标准探测器,可根据需要实现硅单光子雪崩探测器宽波段内的探测效率自动化测量。     

基于SiPM和TCMPC的时间分辨拉曼散射测量技术研究

报道了一种基于硅光电信增管(SiPM)的时间相关多光子计数(TCMPC)技术并将其应用于时间分辨拉曼散射测量。相比于常规基于光电倍增管(PMT)或单光子雪崩二极管(SPAD)的时间相关单光子(TCSPC)技术,由于SiPM可以分辨信号脉冲的具体光子数,基于SiPM的TCMPC技术消除了信号脉冲包含的光子数必须小于等于1的限制,光子计数效率提高了10倍以上,大大节省了测量时间。此外,多光子测量比单光子测量能够得到更好的时间分辨率,时间分辨拉曼散射系统的仪器响应函数(IRF)从单光子81.4 ps缩短至双光子59.7 ps,因而可以用更窄的时间门限抑制荧光本底等噪声对拉曼散射测量的影响。使用TCMPC技术测量CCl₄在0.5和1.5 p.e.两个不同光子数阈值的拉曼峰的峰本比,后者较高的光子数阈值能进一步降低SiPM暗计数噪声的影响,增加了拉曼信号测量的信噪比,测量得到的CCl₄ 459 cm-1拉曼峰的峰本比是前者的6.4倍。将所述新的拉曼散射测量技术与基于PMT和锁相放大器(LIA)的传统拉曼散射测量技术进行了比较研究,前者由于可以使用仅有数十皮秒的测量门限,可以有效抑制荧光、环境杂散光和SiPM暗计数等噪声的影响,所得光谱具有更好的峰本比,测得CCl₄的459 cm-1拉曼峰和Si的一阶拉曼峰的峰本比分别是后者的3.9倍和5.5倍。     

白天单光子探测激光测距

单光子探测激光测距是实现远距离高精度测距的一种重要方法。由于白天的背景噪声约为夜晚的100万倍,传统的单光子探测器白天极易饱和甚至损坏,单光子探测激光测距在白光背景噪声环境中非常难识别微弱的回波信号。本文发展了一种基于FP标准具滤光的单光子探测激光测距装置,采用532 nm窄带干涉滤光片和线宽为10 pm的FP标准具进行二级滤光,并且通过压电旋转台驱动FP标准具,使其中心波长与激光波长锁定,保持最大的透过率。该测距装置有效地降低了白光背景噪声,采用PMT单光子探测器,在532 nm波段实现了白天单光子探测激光测距。在实验中,阳光照度为1.1×10~4 lx时,背景光噪声计数被抑制到900 kcps,探测距离为1.4 km时,信噪比可达16 dB。     

多光子偏振态与单光子高维空间态之间的相互变换及其应用

基于一种特殊的控制非门,实现多光子偏振态与单光子空间高维态之间的相互变换,使得对多光子偏振态的操作可以通过对单光子的操作来完成,由此可以实现任意多光子正定算符值测量和多光子任意幺正操作.这种实现方式是以一定概率完成的,但其效率要优于此前的方案,在目前的实验条件下是可行的. 关键词： 单光子空间态 特殊控制非门 线性光学多端口干涉仪     

光学偶极俘获及单量子测量

对目前的腔QED系统实现强耦合的条件进行了讨论.主要内容包括:获得强耦合的一般条件,我们目前的可能达到的最好结果分析:不同腔组合可能达到的参数,与量子点、光子晶体、纳米腔以及微球腔QED的比较;单原子(单光子)测量的基本过程:单原子辐射的基本特点,非经典性的测量,包括差拍测量,光子统计特性的分析.不同单光子量子态(或多光子量子态)在采用HBT实验测量中的修正等问题.对热光和相干光的初步实验对比证实了理论模型.原子操控的进展:铯原子光学偶极俘获,最近的实验结果,利用CCD荧光探测对偶极阱的测量结果.     

An Entropy-Based Anti-Noise Method for Reducing Ranging Error in Photon Counting Lidar

Photon counting lidar for long-range detection faces the problem of declining ranging performance caused by background noise. Current anti-noise methods are not robust enough in the case of weak signal and strong background noise, resulting in poor ranging error. In this work, based on the characteristics of the uncertainty of echo signal and noise in photon counting lidar, an entropy-based anti-noise method is proposed to reduce the ranging error under high background noise. Firstly, the photon counting entropy, which is considered as the feature to distinguish signal from noise, is defined to quantify the uncertainty of fluctuation among photon events responding to the Geiger mode avalanche photodiode. Then, the photon counting entropy is combined with a windowing operation to enhance the difference between signal and noise, so as to mitigate the effect of background noise and estimate the time of flight of the laser pulses. Simulation and experimental analysis show that the proposed method improves the anti-noise performance well, and experimental results demonstrate that the proposed method effectively mitigates the effect of background noise to reduce ranging error despite high background noise.     

Detection efficiency enhancement of single-photon detector at 1.55-μm by using of single photons lock-in and optimal threshold

The detection efficiency considerations are often the true determining factor as to whether a sensitive measurement is feasible. We demonstrate a robust method of single photons lock-in to enhance the detection efficiency of InGaAs single-photon avalanche diodes at 1.55-μm wavelength and suppressing background noise. With the optimal threshold for discrimination, the detection efficiency is achieved to 1.87 times bigger than that of the conventional photon counting method.     

Photon-noise effect on detection in coherent active images

We analyze photon-noise effects on target detection performance in low-flux coherent active imagery systems. We show that when photon noise is expected, the performance of classical detection techniques designed for pure and fully developed speckle images can be improved with no increase in algorithm complexity. Furthermore, the mean photon number under which photon noise becomes sensitive is higher when the target and background mean values are unknown than in the idealized case, where they are assumed to be known, and when the reflectivity ratio between the target and the background is low.     

光子成像静止点目标的管道滤波探测方法

构建了具有单光子成像能力的光子成像系统,提出应用管道滤波方法实现对光子受限静止点目标的探测。分析了光子图像静止点目标与点状噪声特征,根据静止点目标在序列图像中位置的确定性以及噪声点的不相关性,研究了基于管道滤波的光子成像静止点目标探测方法。为降低目标探测的虚警概率,优化了管道滤波直径。以实验采集得到的多组光子图像序列为样本,获得了探测概率、虚警概率与信号光子数、噪声光子数、管道长度以及检测阈值的关系。检测结果显示,对信号与噪声的平均发生率为0.4和5.215的序列图像,当管道长度为9、检测阈值为2时,探测概率达0.9以上且虚警概率〈0.08。对比多组图像序列的检测结果表明,影响探测概率的主要参数是信号光子数,而影响虚警概率的主要参数是噪声光子数。     

光子成像系统信号与噪声的统计特性分析

在去除光子图像的本底噪声时,根据微弱点目标的探测统计特性,以泊松分布均值与方差相等的特点为判据,提出了一种确定阈值选取范围的新方法。利用点过程的分析方法研究了光子受限点目标的探测统计特性,并进行了实验研究,结果表明光子受限点目标的探测统计特性服从平稳泊松点过程。利用以上分析方法可以快速地获得微弱点目标事件的期望发生率,以及在下一段时间内目标至少再出现一次的概率,从而为后续的目标探测、跟踪以及位置预测奠定了基础。     

Photon counts modulation in optical time domain reflectometry

The quantum fluctuation of photon counting limits the field application of optical time domain reflection. A method of photon counts modulation optics time domain reflection with single photon detection at 1.55 μm is presented. The influence of quantum fluctuation can be effectively controlled by demodulation technology since quantum fluctuation shows a uniform distribution in the frequency domain. Combined with the changing of the integration time of the lock-in amplifier, the signal to noise ratio is significantly enhanced. Accordingly the signal to noise improvement ratio reaches 31.7 dB compared with the direct photon counting measurement.     

Accuracy analysis of centroid calculated by a modified center detection algorithm for Shack-Hartmann wavefront sensor

The accuracy of the Shack-Hartmann wavefront sensor for measuring the wavefront distortion is mainly dependent upon the measuring accuracy of the centroid of each spot. A modified center detection algorithm, which uses some power from the photon events of each pixel instead of photon events themselves, is analyzed theoretically and the computer simulations are given. The results show that photon noise error and sampling error increases as the power value goes up; and to some powers, the readout noise and background noise error decrease. An experiment is described through which the optimum power can be obtained.     

小样本光子图像的统计处理

讨论了一种对小样本光子图像的统计处理方法。在超微弱发光的研究中（例如细胞的超微弱荧光）,由于发光强度极弱,需要用像增强器对超微弱发光图像进行增强得到可视图像,超微弱发光图像不可避免地受到像增强系统暗噪声及背景噪声的影响,使光子图像湮没在噪声中。为从原始图像中检验出信号,根据信号光子和噪声光子的不同统计分布,运用信号检测与的方法判断光子是否属于信号光子,并得到一简明的判据,由此判据剔除图像中的噪声光子,得到信噪比改善的光子图像。并用此方法处理了人掌的超微弱发光光子图像。     

光子图像统计处理

讨论了一种对有限光子图像累加的统计处理方法。在超微弱发光的研究中（例如细胞的超微弱光），由于发光强度较弱，需要用像增强器对超微弱发光图像进行增强得到可视光子图像，超微弱发光的光子图像不可避免地受到像增强系统暗噪声及背景噪声的影响，使光子图像湮没在噪声中。为从原始图像中检验出信号，常将采集到的有限光子图像进行累加以增加样本数，根据信号光子和噪声光子的不同统计分布，运用似然比检验方法得到有效判断累加图像中某像素是否含有信号光子，由此剔除图像中的噪声光子，得到信噪比改善的光子图像。     

生物芯片扫描仪CCD背景噪声研究

冷CCD(Cool CCD)是生物芯片扫描仪的核心检测器件,其背景噪声直接影响到检测精度。CCD背景噪声可分为光子噪声、热噪声、读出噪声和量化噪声。其中热噪声Hn与读出噪声Rn最为核心,采用拍摄暗场帧的方法对其进行实验研究。实验表明对于某一指定曝光时刻,背景噪声图像各像素的强度可认为符合正态分布,并可将均值与标准方差的估计值即■与■作为其相应正态分布的表征参数。■与■的95%置信区间较小,最大区间长度分别占■与■的0.16%和28.36%。在此基础上讨论了温度、曝光时间对均值与方差的影响。