本發(fā)明涉及量子光學(xué)，具體涉及一種中紅外標(biāo)記單光子源產(chǎn)生及上轉(zhuǎn)換探測裝置。

背景技術(shù)：

1、量子單光子源是量子計算、量子通信、量子成像等領(lǐng)域中不可或缺的部分。目前量子單光子源的波長主要集中在可見光與近紅外波段，而傳統(tǒng)的中紅外技術(shù)已在光學(xué)測量、光學(xué)通信、光學(xué)成像等領(lǐng)域發(fā)揮重大作用，將單光子源擴(kuò)展至中紅外波段以實現(xiàn)紅外量子通信、量子成像等應(yīng)用將使人類跨越到量子技術(shù)的新時代。

2、目前產(chǎn)生標(biāo)記單光子源的主要方法是自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換與自發(fā)四波混頻。自發(fā)四波混頻過程多在光纖體系，而現(xiàn)有中紅外波段存在光纖技術(shù)工藝不成熟，成本高等問題。且自發(fā)四波混頻過程整體光子產(chǎn)生效率較低，受到拉曼散射、布里淵散射等影響噪聲較大。

3、自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過程主要基于非線性晶體的二階非線性效應(yīng)，需要滿足相位匹配條件，而實際只有在有限條件下可實現(xiàn)相位匹配條件。armstrong等人在1962年首次提出準(zhǔn)相位匹配技術(shù)，通過周期性的翻轉(zhuǎn)晶體的電籌從而引入矢量泵浦光、閑頻光與信號光間的相位失配使得相位匹配條件滿足，保證高效的非線性效應(yīng)產(chǎn)生。而常用的中紅外波段的非線性晶體如ags等難以進(jìn)行周期性極化。

4、在過去的研究工作中，利用各種非線性晶體如ppln、ppktp、bbo等在可見與近紅外波段制備了單光子源，在中紅外領(lǐng)域的光子源相當(dāng)匱乏。最近yong?meng?sua等人利用ppln波導(dǎo)得到了中紅外波段的相關(guān)光子。但波導(dǎo)工藝程序復(fù)雜，對于中紅外波段應(yīng)用需要特殊定制，且使用脈沖光泵浦需要進(jìn)行脈沖同步。于此同時中紅外波段的單光子檢測成本極高，相關(guān)技術(shù)很不成熟。而上轉(zhuǎn)換探測是一個將中紅外波段遷移至已有成熟探測技術(shù)的近紅外波段進(jìn)行探測的有效手段。

5、因此，提出一種低成本的中紅外單光子源產(chǎn)生及探測方法具有重要的研究和應(yīng)用意義。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種中紅外標(biāo)記單光子源產(chǎn)生及上轉(zhuǎn)換探測裝置，并解決中紅外光子探測困難的技術(shù)問題，提出中紅外相關(guān)光子上轉(zhuǎn)換探測裝置。

2、本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

3、一種中紅外標(biāo)記單光子源產(chǎn)生及上轉(zhuǎn)換探測裝置，包括泵浦激光模塊、量子光源產(chǎn)生模塊、閑頻光子收集模塊、和頻上轉(zhuǎn)換模塊和光子探測與符合模塊；

4、泵浦激光模塊為自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過程提供泵浦光；

5、量子光源產(chǎn)生模塊，采用ppln晶體實現(xiàn)自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過程產(chǎn)生非簡并的信號光子與閑頻光子對；閑頻光子被二向色鏡反射進(jìn)入閑頻光子收集模塊，信號光子透過二向色鏡進(jìn)入和頻上轉(zhuǎn)換模塊；

6、閑頻光子收集模塊收集濾波后的光子進(jìn)入光纖并傳輸至光子探測與符合模塊。

7、作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：所述泵浦激光模塊包括從左到右依次設(shè)置的單頻連續(xù)泵浦激光器、長通濾光片、短通濾光片、半波片、偏振分束鏡和半波片一；

8、所述長通濾光片和短通濾光片用于消除單頻連續(xù)泵浦激光器產(chǎn)生的光子噪聲；所述半波片和半波片一用來調(diào)整單頻連續(xù)泵浦激光器輸出偏振；所述偏振分束鏡與半波片配合用于控制進(jìn)入量子光源產(chǎn)生模塊的光功率，且保證輸入量子光源產(chǎn)生模塊的光為線偏光。

9、作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：所述量子光源產(chǎn)生模塊包括從左到右依次設(shè)置的聚焦透鏡組、ppln晶體、二向色鏡、準(zhǔn)直透鏡和中紅外帶通濾波片；

10、所述聚焦透鏡組用于將輸入量子光源模塊的激光聚焦到ppln晶體中；所述二向色鏡用于將ppln晶體中產(chǎn)生的非簡并光子對分離；所述準(zhǔn)直透鏡用于將ppln晶體中產(chǎn)生的光子進(jìn)行準(zhǔn)直；所述中紅外帶通濾波片用于濾去殘余泵浦光與ppln晶體中產(chǎn)生的噪聲光子。

11、作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：所述信號光子為中紅外光子，閑頻光子為近紅外光子。

12、作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：所述閑頻光子收集模塊包括從二向色鏡起始依次設(shè)置的長通濾波片一、準(zhǔn)直透鏡組、光纖準(zhǔn)直器一、光纖準(zhǔn)直器、光柵和光纖準(zhǔn)直器二；光纖準(zhǔn)直器、光柵、光纖準(zhǔn)直器二共同構(gòu)成了閑頻光子濾波模塊，對閑頻光子濾波，濾波后的閑頻光子被收集進(jìn)光纖；

13、所述長通濾波片一用于濾去短波段的噪聲光子，所述準(zhǔn)直透鏡組用于將光子準(zhǔn)直并收集進(jìn)光纖準(zhǔn)直器一中；所述光柵用于窄帶濾波；所述光纖準(zhǔn)直器一、光纖準(zhǔn)直器二均與光纖連接，用于將光子轉(zhuǎn)移至光纖。

14、作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：所述和頻上轉(zhuǎn)換模塊包括從左至右依次設(shè)置的聚焦透鏡、二向色鏡一、上轉(zhuǎn)換泵浦光源模塊、ppln晶體一、二向色鏡二、準(zhǔn)直透鏡一、短通濾波片一、帶通濾波片一、光纖準(zhǔn)直器三和吸收池；將量子光源產(chǎn)生模塊產(chǎn)生的中紅外光子上轉(zhuǎn)換至可見波段進(jìn)行探測；

15、作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：所述上轉(zhuǎn)換泵浦光源模塊與二向色鏡一呈45°放置，包括依次放置的摻鐿光纖放大器、帶通濾波片二和聚焦透鏡一。

16、作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：所述摻鐿光纖放大器產(chǎn)生的上轉(zhuǎn)換泵浦激光與量子光源產(chǎn)生模塊產(chǎn)生的信號光在二向色鏡一處合束。

17、作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：所述上轉(zhuǎn)換泵浦激光與上轉(zhuǎn)換過程產(chǎn)生的上轉(zhuǎn)換信號光在二向色鏡二處分離，上轉(zhuǎn)換泵浦激光透射進(jìn)入吸收池，上轉(zhuǎn)換信號光被反射；上轉(zhuǎn)換信號光被收集進(jìn)光纖中。

18、作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：所述光子探測與符合模塊包括單光子探測器一、單光子探測器二和符合計數(shù)模塊；

19、所述單光子探測器一用于探測收集的閑頻光子；所述單光子探測器二用于探測收集的信號光子；所述符合計數(shù)模塊用于對單光子探測器一、單光子探測器二的信號進(jìn)行符合測量。

20、本發(fā)明的有益效果：

21、本發(fā)明基于非簡并自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過程，產(chǎn)生高頻譜跨度的相關(guān)光子對，得到了中紅外波段的標(biāo)記單光子源，將單光子源拓展至應(yīng)用前景廣闊的中紅外波段；結(jié)合量子頻率上轉(zhuǎn)換技術(shù)，在實現(xiàn)高效率的光子上轉(zhuǎn)換探測的同時，能夠通過溫度或者泵浦波長進(jìn)行調(diào)諧，實現(xiàn)產(chǎn)生中紅外光子頻率的調(diào)諧，本發(fā)明將會給基于中紅外的精密測量等應(yīng)用帶來極大的便利。并基于上轉(zhuǎn)換探測技術(shù)，解決中紅外光子探測困難問題；本發(fā)明簡單有效，且易于實用。

技術(shù)特征：

1.一種中紅外標(biāo)記單光子源產(chǎn)生及上轉(zhuǎn)換探測裝置，其特征在于，包括泵浦激光模塊、量子光源產(chǎn)生模塊、閑頻光子收集模塊、和頻上轉(zhuǎn)換模塊和光子探測與符合模塊；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種中紅外標(biāo)記單光子源產(chǎn)生及上轉(zhuǎn)換探測裝置,其特征在于，所述泵浦激光模塊包括從左到右依次設(shè)置的單頻連續(xù)泵浦激光器（1）、長通濾光片（2）、短通濾光片（3）、半波片（4）、偏振分束鏡（5）和半波片一（6）；

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種中紅外標(biāo)記單光子源產(chǎn)生及上轉(zhuǎn)換探測裝置,其特征在于，所述量子光源產(chǎn)生模塊包括從左到右依次設(shè)置的聚焦透鏡組（7）、ppln晶體（8）、二向色鏡（9）、準(zhǔn)直透鏡（12）和中紅外帶通濾波片（13）；

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種中紅外標(biāo)記單光子源產(chǎn)生及上轉(zhuǎn)換探測裝置,其特征在于，所述信號光子為中紅外光子，閑頻光子為近紅外光子。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種中紅外標(biāo)記單光子源產(chǎn)生及上轉(zhuǎn)換探測裝置,其特征在于，所述閑頻光子收集模塊包括從二向色鏡（9）起始依次設(shè)置的長通濾波片一（32）、準(zhǔn)直透鏡組（10）、光纖準(zhǔn)直器一（27）、光纖準(zhǔn)直器（28）、光柵（11）和光纖準(zhǔn)直器二（29）；

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種中紅外標(biāo)記單光子源產(chǎn)生及上轉(zhuǎn)換探測裝置,其特征在于，所述和頻上轉(zhuǎn)換模塊包括從左至右依次設(shè)置的聚焦透鏡（14）、二向色鏡一（15）、上轉(zhuǎn)換泵浦光源模塊、ppln晶體一（19）、二向色鏡二（20）、準(zhǔn)直透鏡一（21）、短通濾波片一（22）、帶通濾波片一（23）、光纖準(zhǔn)直器三（24）和吸收池（26）。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種中紅外標(biāo)記單光子源產(chǎn)生及上轉(zhuǎn)換探測裝置,其特征在于，所述上轉(zhuǎn)換泵浦光源模塊與二向色鏡一（15）呈45°放置，包括依次放置的摻鐿光纖放大器（18）、帶通濾波片二（17）和聚焦透鏡一（16）。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種中紅外標(biāo)記單光子源產(chǎn)生及上轉(zhuǎn)換探測裝置,其特征在于，所述摻鐿光纖放大器（18）產(chǎn)生的上轉(zhuǎn)換泵浦激光與量子光源產(chǎn)生模塊產(chǎn)生的信號光在二向色鏡一（15）處合束。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種中紅外標(biāo)記單光子源產(chǎn)生及上轉(zhuǎn)換探測裝置,其特征在于，所述上轉(zhuǎn)換泵浦激光與上轉(zhuǎn)換過程產(chǎn)生的上轉(zhuǎn)換信號光在二向色鏡二（20）處分離，上轉(zhuǎn)換泵浦激光透射進(jìn)入吸收池（26），上轉(zhuǎn)換信號光被反射。

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種中紅外標(biāo)記單光子源產(chǎn)生及上轉(zhuǎn)換探測裝置,其特征在于，所述光子探測與符合模塊包括單光子探測器一（30）、單光子探測器二（31）和符合計數(shù)模塊（25）；

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種中紅外標(biāo)記單光子源產(chǎn)生及上轉(zhuǎn)換探測裝置，涉及量子光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，包括泵浦激光模塊、量子光源產(chǎn)生模塊、閑頻光子收集模塊、和頻上轉(zhuǎn)換模塊和光子探測與符合模塊；泵浦激光模塊為自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過程提供泵浦光；量子光源產(chǎn)生模塊，采用PPLN晶體實現(xiàn)自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過程產(chǎn)生非簡并的信號光子與閑頻光子對；閑頻光子被二向色鏡反射進(jìn)入閑頻光子收集模塊；本發(fā)明基于簡并自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過程，結(jié)合量子頻率上轉(zhuǎn)換技術(shù)，在實現(xiàn)高效率的光子上轉(zhuǎn)換探測的同時，能夠通過溫度或者泵浦波長進(jìn)行調(diào)諧，實現(xiàn)產(chǎn)生中紅外光子頻率的調(diào)諧，本發(fā)明將會給基于中紅外的精密測量等應(yīng)用帶來極大的便利。

技術(shù)研發(fā)人員：陳仁輝,周志遠(yuǎn),史保森
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/5