一种高阶干涉仪

摘要

本发明涉及光的干涉测量设备技术领域，尤其是一种高阶干涉仪，其特征在于：所述干涉仪至少包括光源、菲涅尔双棱镜、正柱透镜、光纤阵列和单光子探测器阵列，其中所述光源依次经过所述菲涅尔双棱镜、所述正柱透镜和所述光纤阵列进入至所述单光子探测器阵列，所述菲涅尔双棱镜使所述光源产生干涉，所述正柱透镜将产生干涉的光在竖直方向上进行垂直压缩，所述光纤阵列接收光信号并将光传输至所述单光子探测器阵列，所述单光子探测器阵列用于记录所述光纤阵列中不同光纤所传送的光子计数和光子抵达时间。本发明的优点是：结构简单，保持干涉图案完整性的同时，又增加了耦合效率；能够在空间和时间上观察到干涉图案的积累，同时实现高阶相干测量。

权利要求

1.一种高阶干涉仪，其特征在于：所述干涉仪至少包括光源、菲涅尔双棱镜、正柱透镜、光纤阵列和单光子探测器阵列，其中所述光源依次经过所述菲涅尔双棱镜、所述正柱透镜和所述光纤阵列进入至所述单光子探测器阵列，所述菲涅尔双棱镜使所述光源产生干涉，所述正柱透镜将产生干涉的光在竖直方向上进行垂直压缩，所述光纤阵列接收光信号并将光传输至所述单光子探测器阵列，所述单光子探测器阵列用于记录所述光纤阵列中不同光纤所传送的光子计数和光子抵达时间。

2.根据权利要求1所述的一种高阶干涉仪，其特征在于：所述光源指的是激光器产生的激光光束，或者是所述激光器打在旋转的毛玻璃上产生的赝热光源，或者是所述激光器激发金刚石单个氮空穴色心来产生的单光子源。

3.根据权利要求1所述的一种高阶干涉仪，其特征在于：所述单光子探测器阵列连接一逻辑分析仪或者连接一单光子计数器。

4.根据权利要求1所述的一种高阶干涉仪，其特征在于：所述光纤阵列包含呈一维线性排列的多根光纤，多根所述光纤用于接收光信号并分别将不同位置干涉条纹的光输送到所述单光子探测器阵列相应的探测通道中。

5.根据权利要求1所述的一种高阶干涉仪，其特征在于：所述单光子探测器阵列由多个光纤耦合的分立硅雪崩光电二极管组成，所述单光子探测器阵列具有与所述光纤阵列的光纤数量相对应的探测通道。

说明书

一种高阶干涉仪

技术领域

[0001] 本发明涉及光的干涉测量设备技术领域，尤其是一种高阶干涉仪。

背景技术

[0002] 光作为人类生存不可或缺的物质和接受外界信息的载体，吸引了很多科学工作者对其进行探索和研究。学者们关于光的粒子说和波动说的争论持续了很久，对于光的研究也不曾停止。1801年，Thomas Young通过著名的双缝干涉实验，为光学波动说奠定了实验基础。1905年，Einstein通过对光电效应的研究，提出光量子假说，认为光的能量本质上是一份一份地传播的，光也具有粒子性。1926年德国物理学家Max Born制定了Born原则，它指出时刻t，在位置r处发现粒子的概率密度与该点处的粒子波函数的振幅的平方成正比。

[0003] P(r,t)=Ψ*(r,t)Ψ(r,t)=∣Ψ(r,t)∣²

[0004] 随着现代量子理论的建立，光的波粒二象性被人们广泛接受。光学干涉效应就很好地印证了光的波粒二象性。干涉现象通常表现为光场强度在空间上相当稳定的明暗相间的条纹分布。双光束或者多光束之间的干涉效应是最简单的干涉效应。只有频率相同，相位差恒定，振动方向一致的相干光源，才能产生光的干涉。而现实中，两个独立光源产生的两束光无法满足这些干涉条件，就无法产生稳定的干涉条纹。为了弥补这个弊端，一般通过干涉仪对同一个光源发出的光束进行分束，从而产生满足干涉条件的两束光或者多束光。产生干涉的两束光会在相遇的空间区域内形成稳定的明暗相间的干涉条纹，干涉条纹的明暗对比，需要用可见度来表示，其定义是：

[0005] V=(Imax-Imin)⁄（Imax+Imin）

[0006] 当Imin=0（暗条纹全黑）时，V=1，条纹最清晰；当Imax≈Imin时，V≈0，条纹模糊不清，甚至不可分辨。

[0007] 2005年，V.Jacques小组利用基于金刚石纳米晶体中单个氮空穴（NV）色心的单光子源，实现了单光子干涉实验。实验中使用波长为532 nm，脉冲持续时间为800 ps的自制脉冲激光器，来激发单个NV色心产生单光子源。产生的单光子源经过菲涅尔双棱镜产生干涉，随后在电荷耦合器件（CCD）相机上进行干涉图像的显示，从而体现光的波动性。也可以使经过菲涅尔双棱镜产生干涉的两束相干光分别通过两个雪崩光电二极管（APD）来进行二阶自相关测量，体现了光的粒子性。该实验利用单光子源验证了光的波动性和粒子性，但是却只能实现光的一阶干涉和二阶干涉，无法实现更高阶的干涉。并且在实验中一阶干涉图案的显示和二阶干涉的测量需要单独使用CCD或者APD，无法使用同一个装置来进行测量。2008年，该小组又利用菲涅尔双棱镜和具有可调透射狭缝的光栅进行单光子干涉实验，可以通过改变光栅狭缝的宽度来改变干涉图像的可见度。该实验很好地验证了波尔的互补原则，但是由于光栅本身会产生衍射现象，对实验结果也有一定的影响。

发明内容

[0008] 本发明的目的是根据上述现有技术的不足，提供了一种高阶干涉仪及利用其进行相干测量的方法，光源经过菲涅尔双棱镜产生干涉，再利用柱透镜将光在竖直方向上垂直压缩，使其方便耦合到光纤阵列中，并输送到单光子探测器阵列，从而构建可以同时观测到一阶干涉和高阶干涉的更为精密的干涉仪。

[0009] 本发明目的实现由以下技术方案完成：

[0010] 一种高阶干涉仪，其特征在于：所述干涉仪至少包括光源、菲涅尔双棱镜、正柱透镜、光纤阵列和单光子探测器阵列，其中所述光源依次经过所述菲涅尔双棱镜、所述正柱透镜和所述光纤阵列进入至所述单光子探测器阵列，所述菲涅尔双棱镜使所述光源产生干涉，所述正柱透镜将产生干涉的光在竖直方向上进行垂直压缩，所述光纤阵列接收光信号并将光传输至所述单光子探测器阵列，所述单光子探测器阵列用于记录所述光纤阵列中不同光纤所传送的光子计数和光子抵达时间。

[0011] 菲涅尔双棱镜是分波前干涉装置的本质，使发出的光波经上下两棱镜折射后形成两束相干的折射光，它们可看作是从两个虚光源发出，在重叠区域可产生干涉。光束经过菲涅尔双棱镜后产生干涉，干涉条纹性质与杨氏干涉条纹相同。可以在菲涅尔双棱镜后放置一个电荷耦合器件（CCD）, CCD相机记录了在双棱镜后面形成的干涉图案。通过调整双棱镜的位置，CCD上显示了图案的演变，从而确定最清晰的干涉条纹。

[0012] 运用了菲涅尔双棱镜对光束进行分波前干涉，还使用了柱透镜。柱透镜可以分为正柱透镜和负柱透镜，正柱透镜对光有会聚作用，负柱透镜对光有发散作用。该干涉仪使用的就是正柱透镜。光束经过菲涅尔双棱镜折射后产生两束相干光，相干光以垂直柱面的方向入射到柱透镜。柱透镜可以在竖直方向上对这些光进行垂直压缩，同时也使产生的干涉条纹进行了压缩，从而使其方便耦合到光纤阵列中。

[0013] 所述光源指的是激光器产生的激光光束，或者是所述激光器打在旋转的毛玻璃上产生的赝热光源，或者是所述激光器激发金刚石单个氮空穴色心来产生的单光子源。

[0014] 所述光纤阵列包含呈一维线性排列的多根光纤，多根所述光纤用于接收光信号并分别将不同位置干涉条纹的光输送到所述单光子探测器阵列相应的探测通道中。

[0015] 所述单光子探测器阵列由多个光纤耦合的分立硅雪崩光电二极管组成，所述单光子探测器阵列具有与所述光纤阵列的光纤数量相对应的探测通道。

[0016] 所述单光子探测器阵列连接至一逻辑分析仪或者连接至一单光子计数器。

[0017] 用来进行一阶干涉和高阶干涉测量的是基于硅雪崩光电二极管（Si-APD）的单光子探测器阵列。Si-APD是高速、高敏并且具有内部增益机制的高增益频宽光电二极管，在低光和快速响应时间的要求下，具有非常出色的测量效果。被柱透镜压缩的光通过光纤阵列，分别耦合到单光子探测器阵列相应的探测通道上。将单光子探测器阵列的不同探测通道连接到逻辑分析仪上，就可以同时记录每个通道上的光子计数和光子抵达时间，再进行数据处理，就可以实现一阶相干测量和高阶相干测量。也可以将单光子探测器阵列的不同探测通道连接到时间相关的单光子计数器（TCSPC）上，进行任意通道之间的相干性测量。

[0018] 本发明的优点是：结构简单，通过菲涅尔棱镜可以产生光的干涉，柱透镜的设置可以将发生干涉的光完美地聚焦到光纤阵列上，保持干涉图案完整性的同时，又增加了耦合效率；不仅能够在空间和时间上观察到具有高分辨率的干涉图案的积累，还能同时实现高阶相干测量；适用范围广，适用于激光、来自金刚石晶体单个氮空穴色心的单光子源和激光打在旋转的毛玻璃上所产生的赝热光源。

附图说明

[0019] 图1为本发明的一阶干涉实验的结构示意图；

[0020] 图2为本发明的一阶干涉实验测量图；

[0021] 图3为本发明的二阶干涉实验的结构示意图；

[0022] 图4为本发明的二阶干涉实验测量图。

具体实施方式

[0023] 以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

[0024] 如图1-4所示，图中标号1-7分别表示为：光源1、菲涅尔双棱镜2、正柱透镜3、光纤阵列4、单光子探测器阵列5、逻辑分析仪6、单光子计数器7。

[0025] 实施例一：如图1所示，本实施例中的高阶干涉仪包括一激光器，激光器可以发射作为光源1的激光光束。在光源1的后方设置有菲涅尔双棱镜2，菲涅尔双棱镜2用于对光束进行折射并使其产生两束相干光，它们可看作是从两个虚光源发出，在重叠区域可产生干涉，即菲涅尔双棱镜2可使光源1产生干涉。在菲涅尔双棱镜2的后方设置有用于对光在竖直方向上进行垂直压缩的正柱透镜3，同时正柱透镜3也可对光源1经过菲涅尔双棱镜2后产生干涉的光进行压缩，从而使其方便耦合到光纤阵列4之中。在正柱透镜3的后方设置有接受光信号并输送到单光子探测器阵列5的光纤阵列4，单光子探测器阵列5用于记录光子计数和光子抵达时间。单光子探测器阵列5连接至逻辑分析仪6，逻辑分析仪6用于采集数据并进行数据处理和显示。

[0026] 以波长为637nm的激光光源1为例，该激光经过菲涅尔双棱镜2被折射成两束相干光，从而产生干涉。干涉图案可由CCD观测，从而确定最清晰的干涉条纹，但因为后面光学仪器的搭建，CCD并未放置在附图所示光路中。随后使用正柱透镜3将光在竖直方向上进行垂直压缩，并输出耦合到光纤阵列4的16根光纤中。光纤阵列4的16根光纤呈一维线形排列，将不同位置干涉条纹的光输送到单光子探测器阵列5相应的探测通道中，也就是说16根光纤分别对应单光子探测器阵列5上的16个Si-APD探测通道，每个Si-APD探测通道可以记录其相应的光子计数和光子抵达时间。单光子探测器阵列5由多个光纤耦合的分立硅雪崩光电二极管（Si-APD）组成，每一根分立硅雪崩光电二极管形成一个探测通道。与单光子探测器阵列5相连接的逻辑分析仪6，可将一段时间内单光子探测器阵列5的每一个Si-APD探测通道的光子计数都分别积分求和，就可以计算出16个Si-APD探测通道的光子计数，从而直接做出光源1的一阶干涉图像。

[0027] 持续发射光源1并经过一定的累积时间，逻辑分析仪6收集到的累加信号如图2所示，中间亮条纹的强度为104kcounts/s，暗条纹强度为13kcounts/s，干涉可见度高达78%。利用本实施例中的这种相干测量方法，可以得到光源1的光子的一阶相干性，从而实现光源
1的一阶相干测量。

[0028] 逻辑分析仪6还可以记录单光子探测器阵列5的每一个Si-APD探测通道的每个光子的抵达时间，任选其中两个Si-APD探测通道，将其连接到逻辑分析仪6上来进行时间信息的采集和处理，就可以进行二阶相干测量。也可以选择n（n≤16）个通道，使用逻辑分析仪6来进行数据处理，从而实现n阶干涉的高阶相干测量。

[0029] 实施例二：如图3所示，本实施例相较于实施例一的不同之处在于：实施例一中单光子探测器阵列5连接的是逻辑分析仪6，而本实施例中单光子探测器阵列5所连接的是可实现单光子探测器阵列5上的任意探测通道之间相干测量的时间相关的单光子计数器7（TCSPC）。

[0030] 同样以波长为637 nm的激光光源1为例，该光源1经过菲涅尔双棱镜2被折射成两束相干光，从而产生干涉。干涉图案可由CCD观测，从而确定最清晰的干涉条纹，但因为后面光学仪器的搭建，CCD并未放置在附图所示光路中。随后使用正柱透镜3将光在竖直方向上进行垂直压缩，并输出耦合到光纤阵列4的16光纤中。16根光纤分别对应单光子探测器阵列5上的16个Si-APD探测通道，每个Si-APD探测通道可以记录其相应的光子计数和光子抵达时间。任选两个Si-APD探测通道连接到时间相关的单光子计数器（TCSPC），就可以进行二阶相干测量。

[0031] 当单光子探测器阵列5的一个Si-APD探测通道接收到光子信号时，会将一个脉冲传送给单光子计数器7，单光子计数器7开始计时，可记为start，直到单光子探测器阵列5的另一个Si-APD探测通道接收到光子后，也将一个电脉冲输送给TCSPC，计时停止，记为stop。与Si-APD通道相连的单光子计数器7将时间差的信息存储并通过大量统计这种时间差数据，可以得到光子之间的相关性信息。通过这种start-stop进行互处理来计算光子相干性，就可以实现二阶相干测量。

[0032] 同样地，也可以任选单光子探测器阵列5上的三个Si-APD探测通道进行start-stop-stop来实现三阶干涉的相干测量，任选四个Si-APD探测通道进行两个start-stop来实现四阶干涉。同理，我们可以任选n（n≤16，取决于探测通道的实际数量）个Si-APD探测通道，来进行n阶干涉。如图4所示，使用单光子计数器7对单光子探测器阵列5上的3号（光纤标号）通道和13号（光纤标号）通道进行二阶相干测量，二阶自相关系数g²(τ)≈1,符合激光的二阶相干性质。

[0033] 上述实施例在具体实施时：光源1可以是激光器产生的激光光束，或者是激光器打在旋转的毛玻璃上产生的赝热光源，或者是激光器激发金刚石单个氮空穴色心来产生的单光子源；也就是说，上述实施例中的高阶干涉仪可适用于上述三种光源。

[0034] 虽然以上实施例已经参照附图对本发明目的的构思和实施例做了详细说明，但本领域普通技术人员可以认识到，在没有脱离权利要求限定范围的前提条件下，仍然可以对本发明作出各种改进和变换，故在此不一一赘述。