单光子激光测距的漂移误差理论模型及补偿方法

单光子激光测距系统采用高灵敏度的单光子探测器作为接收器件,更易实现高密度、高覆盖率的目标采样,是未来激光测距系统的发展方向.漂移误差作为限制单光子激光测距精度提高的瓶颈问题,其主要由平均回波信号光子数的变化引起.以激光雷达方程、单光子探测器的概率与统计理论为基础,建立了漂移误差的理论模型,给出了漂移误差与平均信号光子数、均方根脉宽等系统参数之间的理论关系式.同时,结合单光子探测概率模型给出了一种漂移误差的修正方法,并搭建实验系统对漂移误差模型和修正方法进行了验证.在回波信号均方根脉宽为3.2 ns、平均回波信号光子数为0.03到4.3个情况下,未经修正的漂移误差最大达到46 cm,经修正后的均方根误差为1.16 cm,平均绝对误差为0.99 cm,达到1 cm量级,漂移误差对测距精度的影响基本可以忽略.该方法可以解决漂移误差制约单光子激光测距精度提高的瓶颈问题.     

星载单光子激光雷达海面回波信号模型

过去几十年中激光雷达的发展对于海洋监测有着重大意义,而星载单光子激光雷达以更高的分辨率和测量精度展现了其在海洋遥感中的优势地位.结合单光子探测器的响应特性,依据海面反射模型,提出了一个定量计算海面回波信号强度的理论模型.使用ICESat-2 (The Ice,Cloud,and land Elevation Satellite 2)对地观测激光测高卫星搭载的先进地形激光测高系统(ATLAS)的参数作为输入,采用ICESat-2获取的ATL03数据统计回波信号强度和全球风场数据验证模型,模型在菲律宾海域统计的多轨数据较好,在海面风速为4～10 m/s的情况下,其均值误差为0.0037个光子/脉冲,均方根误差为0.153个光子/脉冲.分析得出了星载单光予海洋测高仪回波强度和海平面上方平均风速的关系,该结论对海平面上方风速反演提供了重要的理论依据.     

基于伪随机码调制和单光子计数的星载测高计仿真

为使星载激光高度计实现高空间分辨率,提出了一种联合采用伪随机码调制光纤激光器和单光子计数的测距方法.讨论了此方法的实施方案,推导了此方法用于测高时的信噪比公式.对方案中的激光发射功率、接收望远镜口径对信噪比的影响进行了数值模拟.对系统参数进行分析,得到了相关参数的关系和优化的参数.结果表明接收望远镜口径为0.8～1 m,激光出射功率约为10 W,伪随机码调制宽度为600 μs,调制速率为1 GHz时,基于伪随机码调制和单光子计数的星载激光测高计能够使系统信噪比达到10,距离分辨率达到15 cm.     

量子密码通信中量子比特率理论分析

在量子密钥分配中,量子比特率是一个重要的系统参数。通过引入测量因子和筛选因子,建立了基于理想单光子源和泊松分布单光子源的量子比特率理论模型,给出了量子比特率的表达式,并对两种单光子源进行了比较分析。结果表明,当平均光子数大于1时,泊松分布单光子源能被优化。在发射机脉冲重复率一定的条件下,采用泊松分布单光子源无法达到理想单光子源的量子比特率,这是为保密通信所必须付出的代价。     

基于连续和脉冲激光泵浦的相关光子实验比对

为在相关光子定标技术工程化过程中选择合适的泵浦机制及相位匹配模式,开展了基于连续和脉冲激光的相关光子比对实验.采用355nm连续激光泵浦偏硼酸钡晶体产生相关光子对,对晶体吸收、透射损耗以及光学元件透过率进行测量和修正,同时使用基于时间幅度转换的符合测量方法,得到单光子探测器量子效率为59.15%.利用518nm脉冲激光泵浦周期极化磷酸钛氧钾晶体,采用准相位匹配技术获取相同波段的相关光子,基于时间幅度转换的符合测量方法得到单光子探测器量子效率为59%.比对实验结果,两套定标装置方法的测量结果之差在0.25%以内,主要误差来源于单光子探测器的响应非线性、光路透过率修正误差和单光子探测量子效率面非均匀性.实验结果验证了相关光子定标技术可随时随地复现的优点,以及相关光子定标结果不受泵浦机制差异和实验装置差异的影响,可为相关光子技术工程化中的激光器工作模式和相位匹配方式的选择提供参考依据.     

基于超导纳米线单光子探测器深空激光通信模型及误码率研究

高速深空通信是深空探测的关键技术之一,具备单光子灵敏度的激光通信系统将大大提高现有的深空通信速度.然而,单光子条件下的激光通信不仅需要考虑传输环境的影响,还需要考虑实际单光子探测器性能和光子数量子态的分布.本文在不考虑大气湍流影响的情况下,以光电探测模型为基础,引入超导纳米线单光子探测器(SNSPD)系统的探测效率和暗计数,建立了反应系统差错性能的数学模型,提出了系统误码率的计算公式.先对公式中的光强和激光脉冲重复频率对误码率的影响进行仿真,再通过实验结果验证仿真模型.结果表明,光强对误码率的影响最明显,随着光强从0.01光子/脉冲到1000光子/脉冲的增加,误码率从10~(-1)到10~(-7)量级明显下降;激光脉冲重复频率对误码率的影响受到不同光强的制约,但都随着脉冲重复频率的增加呈下降趋势.与此同时,当增加光强或者提高速度时,误码率高于仿真结果,约在10~(-4)量级,其原因可能是实际通信中调制光信号的消光比不足和光纤引入背景噪声提高了系统暗计数.以上模型和实验结果为进一步开展基于SNSPD的月球-地球、火星-地球等高速深空激光通信奠定了基础.     

基于拉盖尔-高斯光束的单光子捕获理论研究

基于TEM10模拉盖尔-高斯光束,推导自由空间量子密钥分配中单光子捕获概率表达式.针对低轨卫星-地面站间激光链路进行单光子捕获分析.结果表明:采用可高度衰减激光脉冲的TEM10模拉盖尔-高斯光束作为单光子源,单光子捕获采用前驱波参考脉冲设置时间窗口的方法,可使卫星上接收机以最大概率捕获光子.与基模高斯光束相比,采用TEM10模拉盖尔-高斯光束的优点是,不会由于卫星运动而增加单光子捕获概率的损耗.     

星载激光测高系统大气折射延迟的影响分析

星载激光测高系统发出的测距光束经过大气层时会发生折射,由此产生的与大气延迟相关的测距误差在数米量级。讨论了激光测高系统大气延迟修正理论及实现算法,通过使用沿天顶方向的大气传输延迟值与非天顶方向相应映射函数乘积的方法来计算大气延迟,并对影响大气延迟主要气象参数地表气压进行修正。结合全球首个对地观测星载激光测高系统GLAS测量数据和美国国家环境预报中心NCEP气象数据进行大气延迟修正,并与GLAS系统公布延迟数据对比。结果表明:大气干项延迟偏差小于2 cm,湿项延迟偏差小于1 mm。     

基于和频与差频级联的全光单光子波长变换

基于周期极化铌酸锂波导,提出了一种采用和频产生与差频产生级联的全光单光子波长变换方案.在海森堡绘景下,通过非线性变换过程的哈密顿量求解了目标单光子信号的湮灭算子,进而根据变换前后的光子数算符之比得到了单光子波长变换的效率.分析了和频产生过程以及差频产生过程中单光子的转换效率与泵浦功率之间的关系,证明了存在最佳泵浦功率使得量子态能够完全转移.数值分析结果表明,当上变换(和频产生)泵浦光功率为65 mW、下变换(差频产生)泵浦光功率为150 mW时,由1550 nm到1530 nm的单光子波长变换可达到61％的转换效率.给出了级联单光子波长变换的实验装置,包括周期极化铌酸锂波导、泵浦激光、准单光子信号源、滤波等光学元器件、单光子探测器和同步线路.     

降雨背景下量子定位系统中最优平均光子数自适应策略

基于光量子探测的无线激光通信技术在天地一体化保密通信网络中具有重要应用。基于光源光子数的泊松分布模型、大气湍流Gamma-Gamma模型、单光子探测器响应模型和相关计数信号处理方法建立了湍流信道中光量子通信系统的误码率(BER)计算模型,仿真分析了光源光子数分布、湍流信道参数、单光子探测器性能参数、相关计数方法等对系统BER的影响。结果表明,系统BER与激光脉冲平均光子数、脉冲频率和探测器探测效率呈负相关关系;而系统BER与大气湍流强度、探测器暗计数呈正相关;采用相关计数方法可有效降低系统BER,当开门次数确定时,系统存在一个最佳判别门限。所提模型可为光量子通信系统的设计与优化提供参考。     

基于拉盖尔-高斯光束的单光子捕获理论研究

基于TEM₁₀模拉盖尔-高斯光束,推导自由空间量子密钥分配中单光子捕获概率表达式。针对低轨卫星-地面站间激光链路进行单光子捕获分析。结果表明：采用可高度衰减激光脉冲的TEM₁₀模拉盖尔-高斯光束作为单光子源,单光子捕获采用前驱波参考脉冲设置时间窗口的方法,可使卫星上接收机以最大概率捕获光子。与基模高斯光束相比,采用TEM₁₀模拉盖尔-高斯光束的优点是,不会由于卫星运动而增加单光子捕获概率的损耗。     

基于弱相干光的实际QKD系统的安全性研究

实际量子密钥分发系统使用的单光子源主要是由弱激光脉冲经衰减得到。它不是理想单光子源而是服从泊松分布的准单光子源。每个非空光脉冲中包含多光子的概率不为零,强大的窃听者可利用此获得一些关于最终密钥的信息。因此,有必要研究实际QKD系统的安全性。采用对多光子进行分束窃听、单光子最佳攻击相结合的方案,用Shannon信息理论分析了基于弱相干光的实际QKD系统的安全性。研究结果表明实际QKD系统对于分束窃听和最佳攻击是安全的,并给出合法通信双方在该攻击方案下所容忍的误码率上限。     

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。     

基于实时优化单光子干涉可视度的相位编码量子密钥分发

在相位编码量子密钥分发系统中,单光子干涉可视度决定了系统的成码率。本文提出一种优化单光子干涉可视度的方法,即利用遗传算法和四通道偏振控制器实时补偿单光子偏振漂移,同时利用时分复用参考光连续无复位地补偿单光子相位漂移,最终在25km光纤中实时优化的单光子干涉可视度达到98.6%,相位编码量子密钥分发系统成码率为2.2kbit/s。     

基于单光子探测及脉冲位置调制的激光通信关键技术研究

为了实现高灵敏度的空间激光通信,并提高传输信道的抗干扰能力,将单光子探测技术和脉冲位置调制技术相结合,采用门控电路与反馈淬灭电路相结合的方式淬灭单光子探测器雪崩,设计了插入帧头法用于脉冲位置调制解调。用现场可编程门阵列进行了脉冲位置调制解调过程的仿真,验证了插入帧头法的有效性与可行性。在此基础上搭建了1 550 nm的脉冲位置调制激光通信实验,同时测试了单光子探测器在不同参数下的性能。结果表明,当探测效率为25%,触发延时为8.00 ns,门宽为5.0 ns,死时间为0.1μs时,单光子探测器性能最佳。最后测试了不同调制速率下单光子探测器的探测灵敏度,结果表明,当通信码速率为1 Mbps时,通信灵敏度为-51.8 dBm;当通信码速率为4 Mbps时,通信灵敏度为-41.0 dBm,实现了高灵敏度的空间激光通信。     

光纤Sagnac干涉仪中单光子干涉及路由控制

介绍一种光纤中稳定的单光子干涉以及单光子路由控制方式. 使用Sagnac单光子环形干涉仪，通过分时相位调制，改变其顺时针和逆时针两路光子间的相位差. 在Sagnac单光子环形干涉仪中，顺时针和逆时针两路光子走过的是同一段光纤，简便有效地补偿了光纤长度随时间缓变带来的相位涨落，而且两路光子经历了相同的偏振模色散，较好地抑制了偏振态波动对单光子干涉的影响. 在长达5km的1550nm单模光纤中，获得大于98%的单光子干涉和大于90%单光子路由控制；在长度为27和50km光纤环路中，分别获得大于94%和84%单 关键词： 单光子路由 单光子干涉 Sagnac单光子环形干涉仪 量子保密通信     

腔内单原子的激光冷却、囚禁与操控实验及其最新进展

本文综述了腔内单原子的激光冷却、囚禁与操控的基本原理、实验方案和结果及其最新进展,并介绍了腔内单原子激光操控实验的最新进展及其在腔内量子电动力学(腔内QED)效应、亚泊松光子统计、单原子激光、量子态制备、单光子源和量子信息处理等研究中的应用。     

腔内单原子的激光冷却、囚禁与操控实验及其最新进展

本文综述了腔内单原子的激光冷却、囚禁与操控的基本原理、实验方案和结果及其最新进展,并介绍了腔内单原子激光操控实验的最新进展及其在腔内量子电动力学(腔内QED)效应、亚泊松光子统计、单原子激光、量子态制备、单光子源和量子信息处理等研究中的应用。     

湍流信道下光量子通信系统误码分析及优化

基于光量子探测的无线激光通信技术在天地一体化保密通信网络中具有重要应用.基于光源光子数的泊松分布模型、大气湍流Gamma-Gamma模型、单光子探测器响应模型和相关计数信号处理方法建立了湍流信道中光量子通信系统的误码率(BER)计算模型,仿真分析了光源光子数分布、湍流信道参数、单光子探测器性能参数、相关计数方法等对系统...     

单层与双层石墨烯的光学吸收性质研究

采用紧束缚模型分别描述单层、双层石墨烯的能带结构, 利用光子-电子相互作用的二阶微扰理论分别计算单光子和双光子吸收系数.计算结果表明: 单层石墨烯单光子吸收系数为常数, 约为6.8×10⁷ m^-1, 即单层石墨烯对入射光的吸收率约为2.3%; 双层石墨烯的单光子吸收比单层石墨烯的单光子吸收强, 且随入射光波长呈分段性变化.单层石墨烯的双光子吸收系数与波长λ⁴成正比; 双层石墨烯双光子吸收系数在红外波段(～ 3100 nm处)有一个很强的共振吸收峰. 研究结果可为石墨烯材料在光电子器件的研究和制作方面提供指导. 关键词： 石墨烯 光学吸收 紧束缚模型