一种中红外标记单光子源产生及上转换探测装置

本发明涉及量子光学，具体涉及一种中红外标记单光子源产生及上转换探测装置。

背景技术：

1、量子单光子源是量子计算、量子通信、量子成像等领域中不可或缺的部分。目前量子单光子源的波长主要集中在可见光与近红外波段，而传统的中红外技术已在光学测量、光学通信、光学成像等领域发挥重大作用，将单光子源扩展至中红外波段以实现红外量子通信、量子成像等应用将使人类跨越到量子技术的新时代。

2、目前产生标记单光子源的主要方法是自发参量下转换与自发四波混频。自发四波混频过程多在光纤体系，而现有中红外波段存在光纤技术工艺不成熟，成本高等问题。且自发四波混频过程整体光子产生效率较低，受到拉曼散射、布里渊散射等影响噪声较大。

3、自发参量下转换过程主要基于非线性晶体的二阶非线性效应，需要满足相位匹配条件，而实际只有在有限条件下可实现相位匹配条件。armstrong等人在1962年首次提出准相位匹配技术，通过周期性的翻转晶体的电筹从而引入矢量泵浦光、闲频光与信号光间的相位失配使得相位匹配条件满足，保证高效的非线性效应产生。而常用的中红外波段的非线性晶体如ags等难以进行周期性极化。

4、在过去的研究工作中，利用各种非线性晶体如ppln、ppktp、bbo等在可见与近红外波段制备了单光子源，在中红外领域的光子源相当匮乏。最近yong meng sua等人利用ppln波导得到了中红外波段的相关光子。但波导工艺程序复杂，对于中红外波段应用需要特殊定制，且使用脉冲光泵浦需要进行脉冲同步。于此同时中红外波段的单光子检测成本极高，相关技术很不成熟。而上转换探测是一个将中红外波段迁移至已有成熟探测技术的近红外波段进行探测的有效手段。

5、因此，提出一种低成本的中红外单光子源产生及探测方法具有重要的研究和应用意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种中红外标记单光子源产生及上转换探测装置，并解决中红外光子探测困难的技术问题，提出中红外相关光子上转换探测装置。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

3、一种中红外标记单光子源产生及上转换探测装置，包括泵浦激光模块、量子光源产生模块、闲频光子收集模块、和频上转换模块和光子探测与符合模块；

4、泵浦激光模块为自发参量下转换过程提供泵浦光；

5、量子光源产生模块，采用ppln晶体实现自发参量下转换过程产生非简并的信号光子与闲频光子对；闲频光子被二向色镜反射进入闲频光子收集模块，信号光子透过二向色镜进入和频上转换模块；

6、闲频光子收集模块收集滤波后的光子进入光纤并传输至光子探测与符合模块。

7、作为本发明进一步的方案：所述泵浦激光模块包括从左到右依次设置的单频连续泵浦激光器、长通滤光片、短通滤光片、半波片、偏振分束镜和半波片一；

8、所述长通滤光片和短通滤光片用于消除单频连续泵浦激光器产生的光子噪声；所述半波片和半波片一用来调整单频连续泵浦激光器输出偏振；所述偏振分束镜与半波片配合用于控制进入量子光源产生模块的光功率，且保证输入量子光源产生模块的光为线偏光。

9、作为本发明进一步的方案：所述量子光源产生模块包括从左到右依次设置的聚焦透镜组、ppln晶体、二向色镜、准直透镜和中红外带通滤波片；

10、所述聚焦透镜组用于将输入量子光源模块的激光聚焦到ppln晶体中；所述二向色镜用于将ppln晶体中产生的非简并光子对分离；所述准直透镜用于将ppln晶体中产生的光子进行准直；所述中红外带通滤波片用于滤去残余泵浦光与ppln晶体中产生的噪声光子。

11、作为本发明进一步的方案：所述信号光子为中红外光子，闲频光子为近红外光子。

12、作为本发明进一步的方案：所述闲频光子收集模块包括从二向色镜起始依次设置的长通滤波片一、准直透镜组、光纤准直器一、光纤准直器、光栅和光纤准直器二；光纤准直器、光栅、光纤准直器二共同构成了闲频光子滤波模块，对闲频光子滤波，滤波后的闲频光子被收集进光纤；

13、所述长通滤波片一用于滤去短波段的噪声光子，所述准直透镜组用于将光子准直并收集进光纤准直器一中；所述光栅用于窄带滤波；所述光纤准直器一、光纤准直器二均与光纤连接，用于将光子转移至光纤。

14、作为本发明进一步的方案：所述和频上转换模块包括从左至右依次设置的聚焦透镜、二向色镜一、上转换泵浦光源模块、ppln晶体一、二向色镜二、准直透镜一、短通滤波片一、带通滤波片一、光纤准直器三和吸收池；将量子光源产生模块产生的中红外光子上转换至可见波段进行探测；

15、作为本发明进一步的方案：所述上转换泵浦光源模块与二向色镜一呈45°放置，包括依次放置的掺镱光纤放大器、带通滤波片二和聚焦透镜一。

16、作为本发明进一步的方案：所述掺镱光纤放大器产生的上转换泵浦激光与量子光源产生模块产生的信号光在二向色镜一处合束。

17、作为本发明进一步的方案：所述上转换泵浦激光与上转换过程产生的上转换信号光在二向色镜二处分离，上转换泵浦激光透射进入吸收池，上转换信号光被反射；上转换信号光被收集进光纤中。

18、作为本发明进一步的方案：所述光子探测与符合模块包括单光子探测器一、单光子探测器二和符合计数模块；

19、所述单光子探测器一用于探测收集的闲频光子；所述单光子探测器二用于探测收集的信号光子；所述符合计数模块用于对单光子探测器一、单光子探测器二的信号进行符合测量。

20、本发明的有益效果：

21、本发明基于非简并自发参量下转换过程，产生高频谱跨度的相关光子对，得到了中红外波段的标记单光子源，将单光子源拓展至应用前景广阔的中红外波段；结合量子频率上转换技术，在实现高效率的光子上转换探测的同时，能够通过温度或者泵浦波长进行调谐，实现产生中红外光子频率的调谐，本发明将会给基于中红外的精密测量等应用带来极大的便利。并基于上转换探测技术，解决中红外光子探测困难问题；本发明简单有效，且易于实用。

技术特征：

1.一种中红外标记单光子源产生及上转换探测装置，其特征在于，包括泵浦激光模块、量子光源产生模块、闲频光子收集模块、和频上转换模块和光子探测与符合模块；

2.根据权利要求1所述的一种中红外标记单光子源产生及上转换探测装置,其特征在于，所述泵浦激光模块包括从左到右依次设置的单频连续泵浦激光器（1）、长通滤光片（2）、短通滤光片（3）、半波片（4）、偏振分束镜（5）和半波片一（6）；

3.根据权利要求1所述的一种中红外标记单光子源产生及上转换探测装置,其特征在于，所述量子光源产生模块包括从左到右依次设置的聚焦透镜组（7）、ppln晶体（8）、二向色镜（9）、准直透镜（12）和中红外带通滤波片（13）；

4.根据权利要求1所述的一种中红外标记单光子源产生及上转换探测装置,其特征在于，所述信号光子为中红外光子，闲频光子为近红外光子。

5.根据权利要求1所述的一种中红外标记单光子源产生及上转换探测装置,其特征在于，所述闲频光子收集模块包括从二向色镜（9）起始依次设置的长通滤波片一（32）、准直透镜组（10）、光纤准直器一（27）、光纤准直器（28）、光栅（11）和光纤准直器二（29）；

6.根据权利要求1所述的一种中红外标记单光子源产生及上转换探测装置,其特征在于，所述和频上转换模块包括从左至右依次设置的聚焦透镜（14）、二向色镜一（15）、上转换泵浦光源模块、ppln晶体一（19）、二向色镜二（20）、准直透镜一（21）、短通滤波片一（22）、带通滤波片一（23）、光纤准直器三（24）和吸收池（26）。

7.根据权利要求6所述的一种中红外标记单光子源产生及上转换探测装置,其特征在于，所述上转换泵浦光源模块与二向色镜一（15）呈45°放置，包括依次放置的掺镱光纤放大器（18）、带通滤波片二（17）和聚焦透镜一（16）。

8.根据权利要求7所述的一种中红外标记单光子源产生及上转换探测装置,其特征在于，所述掺镱光纤放大器（18）产生的上转换泵浦激光与量子光源产生模块产生的信号光在二向色镜一（15）处合束。

9.根据权利要求8所述的一种中红外标记单光子源产生及上转换探测装置,其特征在于，所述上转换泵浦激光与上转换过程产生的上转换信号光在二向色镜二（20）处分离，上转换泵浦激光透射进入吸收池（26），上转换信号光被反射。

10.根据权利要求1所述的一种中红外标记单光子源产生及上转换探测装置,其特征在于，所述光子探测与符合模块包括单光子探测器一（30）、单光子探测器二（31）和符合计数模块（25）；

技术总结
本发明公开了一种中红外标记单光子源产生及上转换探测装置，涉及量子光学技术领域，包括泵浦激光模块、量子光源产生模块、闲频光子收集模块、和频上转换模块和光子探测与符合模块；泵浦激光模块为自发参量下转换过程提供泵浦光；量子光源产生模块，采用PPLN晶体实现自发参量下转换过程产生非简并的信号光子与闲频光子对；闲频光子被二向色镜反射进入闲频光子收集模块；本发明基于简并自发参量下转换过程，结合量子频率上转换技术，在实现高效率的光子上转换探测的同时，能够通过温度或者泵浦波长进行调谐，实现产生中红外光子频率的调谐，本发明将会给基于中红外的精密测量等应用带来极大的便利。

技术研发人员：陈仁辉,周志远,史保森
受保护的技术使用者：中国科学技术大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5