专利名称：一种实时检测单光子偏振量子态的装置与方法
技术领域：
本发明涉及光束偏振的斯托克斯矢量检测，特别是指单光子状态下或微弱能量光 束的偏振情况的实时检测。
背景技术：
偏振是光的一种特性，可以分为平面偏振光(线偏振光)、圆偏振光和椭圆偏振 光。偏振信息已经在地物遥感探测、大气探测、水下探测、天文探测、医学诊断、目标检测、图 像处理和军事应用等领域得到广泛应用。斯托克斯矢量是描述光偏振状态的一种有效而全 面的方法，斯托克斯矢量的检测也受到人们的关注。现在已有的斯托克斯偏振检测仪器大 多数采用旋转波片前后继承的方式获取光束的偏振状态，这种方式适合于恒定或缓变的连 续光束的测量，不适合于瞬变或脉冲光束及单光子状态下光束的偏振测量。单光子信号也具有偏振量子态，随着单光子探测技术的日趋成熟，对单光子的偏 振应用已经在技术上可以实现，因此，基于单光子层面的偏振信息应用研究逐渐成为国内 外科技工作者重点关注的内容之一。量子保密通信就是单光子偏振信息应用的主要领域之 一，在量子通信的经典协议BB84中，密钥的分发就是利用光子的偏振态来代表经典二进制 码(bit)，对信号进行编码，其中水平或45°偏振对应于经典比特0，竖直或135°偏振对应 于经典比特1。在量子通信过程中，单光子信号从发射端发射到接收端接收都要经过镜面的 一系列反射或折射，它们会改变信号的偏振状态。这些偏振状态的改变量需要能精确的检 测出来以便利用相位补偿器对其进行补偿。

发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的缺陷，提供一种高速的、高精度的、 高灵敏度的检测单光子或微弱光束的偏振状态的装置及方法。本发明的测试装置包括测试系统和定标系统(

图1)两部分。测试系统由无镀膜石英分光片1，能量分束比为1 1分光镜2，第一可调相位补 偿器3-1、第二可调相位补偿器3-2、第一偏振分光镜4-1、第二偏振分光镜4-2、第一能量探 测单光子探测器5-1、第二能量探测单光子探测器5-2、第三能量探测单光子探测器5-3、第 四能量探测单光子探测器5-4和能量监视单光子探测器6组成。所述实时检测单光子偏振状态的原理和步骤如下1、被测光束D经过无镀膜石英分光片1被分为光束Dl和光束D2两路，光束Dl占 总能量的96%，作为测试光束进入系统；光束D2占总能量的4%，作为能量监视光束由能量 监视单光子探测器6探测，光束D2的能量为2、光束Dl被能量分束比为1 1分光镜2分为光束Dl-I和光束Dl_2。3、光束Dl-I经过第一可调相位补偿器3-1后，调节第一可调相位补偿器3-1的方 位和相位，使之调节由能量分束比为1 1分光镜2造成的相位偏移。第一偏振分光镜4-1 将光束Dl-I分为偏振状态相互正交的光束dl和光束d2。光束dl由第一单光子探测器5-1探测输出，输出能量为I1 ；光束d2由第二单光子探测器5-2探测输出，输出能量为12。4、光束D1-2经过第二可调相位补偿器3-2后，调节第二可调相位补偿器3_2的方 位和相位，使之补偿由能量分束比为1 1分光镜2造成的相位偏移。第二偏振分光镜4-2 将光束D1-2分为偏振状态相互正交的光束d3和光束d4。光束d3由第三单光子探测器5-3 探测输出，输出能量为I3，光束d4由第四单光子探测器5-4探测输出，输出能量为14。5、第一单光子探测器5-1、第二单光子探测器5-2、第三单光子探测器5_3、第四单 光子探测器5-4对应的能量输出可以写为一个矩阵I，如式(1)所示，T表示转置
I —I” I” 1” 工4
(1) 若能求得测试系统(图1)的仪器矩阵A，则根据公式(2)可计算求出被测信号光 的斯托克斯矢量。A—1为A的逆矩阵。
S = A^1I
⑵
仪器矩阵的获得可以根据定标过程求得。 定标过程如下
1)定标系统由波长可调谐激光器7、小孔光阑8、起偏器9、λ/4波片10组成。
2)调节起偏器9和/4波片10的方位角度，使得光束C变换四个线性无关的偏振
态，每一个偏振态光束对应的斯托克斯矢量可以表示为Sik(i = 1，2，3，4 ;k = 0，1，2，3)。
3)将每一个偏振态光束C输入到测试系统(图1)中，对应得出单光子探测器的四 个输出信号值 = 1,2,3,4 ；j = 1，2，3，4)。
4)将上述测量结果组合成矩阵可以得到如下公式(3) ^31 1.41·1 Γ^ΙΟ S2O ^30 S40
权利要求
1.一种实时检测单光子偏振量子态的装置，它包括测试系统和定标系统两部分。测试 系统由石英分光片，能量分束比为1 1分光镜，两个可调相位补偿器、两个偏振分光镜、四 个能量探测单光子探测器组成；定标系统由波长可调谐激光器、小孔光阑、起偏器、λ/4波 片组成，其特征在于所述的测试系统中，被测光束D经过石英分光平片(1)被分为光束Dl和光束D2两路， 石英分光平片未镀膜，光束Dl占总能量的96%，作为测试光束进入系统；光束D2占总能量 的4 %，由能量监视单光子探测器(6)探测，光束D2的能量为Itl ；光束Dl被能量分束比为1 1分光镜( 分为光束Dl-I和光束D1-2;光束Dl-I经过第一可调相位补偿器(3-1)后，可以补偿由能量分束比为1 1分光镜 (2)造成的相位偏移，第一偏振分光镜(4-1)将光束Dl-I分为偏振状态相互正交的光束dl 和光束d2，光束dl由第一单光子探测器(5-1)探测输出，输出能量为I1，光束d2由第二单 光子探测器(5- 探测输出，输出能量为I2 ；光束D1-2经过可调相位补偿器(3- 后，调节相位补偿器(3-2)的方位和相位，可以 补偿由分光镜(2)造成的相位偏移，偏振分光镜(4- 将光束D1-2分为偏振状态相互正交 的两束光d3和d4，光束d3由第三单光子探测器(5- 探测输出，输出能量为13，光束d4由 第四单光子探测器(5-4)探测输出，输出能量为I4 ；所述的定标系统中，可调谐激光器(7)发出的光束经空间滤波小孔光阑(8)、起偏器 (9)和λ/4波片(10)后成为一偏振状态已知的光束C，光束C输入到测试系统中，可得出 单光子探测器的输出信号值Iu。
2.一种基于权利要求1所述装置的单光子偏振量子态测试方法，其特征在于包括以下 步骤1)被测光束D经测试系统测量后，将系统的第一探测器(5-1)、第二单光子探测器 (5-2)、第三单光子探测器(5-3)、第四单光子探测器(5-4)对应的能量输出写为一个矩阵 I，I = [I1,12, I3, I4It (1)其中Τ表示转置；2)由定标系统产生四个相互间线形无关的已知偏振态的光束C，每一个偏振态光束对 应的斯托克斯矢量表示为Sik，i为光束编号，i = 1,2,3,4 ；k为单光子探测器输出编号，k =1,2,3,4 ；3)每一个偏振态光束C输入到测试系统中，对应得出单光子探测器的四个输出信号值 Iij, i为光束编号，i = 1,2,3,4 ；j为单光子探测器输出编号，j = 1,2,3,4 ；4)求测试系统的仪器矩阵A为
全文摘要
本发明公开了一种实时测量单光子光束偏振状态的测试装置及方法，该装置包括测试系统和定标系统两部分。该测试装置利用能量分光镜和相位分光镜将被测光束分为四束，分别由四个单光子探测器对输入信号进行探测。利用定标装置获取系统的最优仪器矩阵；在测试时根据仪器矩阵和测试信号能得到被测信号的斯托克斯矢量。本发明的优点是系统中无转动部件，测试速度快；测试系统充分的利用了被测试光束的能量，可用于单光子或极微弱光束的偏振状态检测；系统中有可变相位补偿器，能获取最优的系统仪器矩阵，测试精度高，结果可靠。
文档编号G01J4/00GK102080988SQ20101056506
公开日2011年6月1日 申请日期2010年11月26日 优先权日2010年11月26日
发明者何志平, 狄慧鸽, 王建宇, 舒嵘 申请人:中国科学院上海技术物理研究所