專利名稱：單光子探測器量子效率的絕對(duì)自身標(biāo)定裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種不依賴于額外計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的單光子探測器量子效率的標(biāo)定裝置，尤指一種單光子探測器量子效率的絕對(duì)自身標(biāo)定裝置。
參見附圖1，泵浦激光的一個(gè)光子在某些非線性光學(xué)晶體中在適當(dāng)條件下產(chǎn)生一對(duì)光子，這一過程遵循能量守恒和動(dòng)量守恒，即ωp＝ωs+ωi(1)kp＝ks+ki(2)其中ω和k分別是光子頻率和波矢，下標(biāo)p，s，i分別對(duì)應(yīng)于泵浦光(pump)和參量下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的一對(duì)光子，即信號(hào)光(signal)和閑置光(idler)。由于(1)式所蘊(yùn)涵的制約關(guān)系，當(dāng)知道了泵浦光和任一出射光的信息后，就可以知道另一出射光的有關(guān)信息。由此發(fā)展起來的典型的絕對(duì)標(biāo)定的裝置如附圖2，探測器A和探測器B用來分別捕獲泵浦激光在非線性晶體中發(fā)生參量下轉(zhuǎn)換過程所產(chǎn)生的一對(duì)光子。探測器B可以作為觸發(fā)探測器，它的讀數(shù)表明了一個(gè)閑置光子的存在，計(jì)數(shù)率設(shè)為NB。由于參量光子是成對(duì)產(chǎn)生的，因此在探測器A處必定也有一個(gè)信號(hào)光子(A也可以稱為共軛探測器)，對(duì)于每一次被探測器B探測到的事件，通過符合電路來檢測探測器A是否探測到相應(yīng)的事件，符合計(jì)數(shù)率設(shè)為NC。因此可以推出，探測器A的量子效率ηA就等于符合計(jì)數(shù)率Nc與探測器B的計(jì)數(shù)率NB之比率，即ηA＝NC/NB(3)由上式可以看出，探測器A的量子效率的測定與探測器B的量子效率無關(guān)，也不需要任何其他的參考標(biāo)準(zhǔn)，所以這是一種絕對(duì)的標(biāo)定方法。但是，從上面也可以看出，這種方法必須要兩個(gè)探測器才能實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)探測器的量子效率的標(biāo)定，因而在一定程度上限制了其應(yīng)用面。
A.Czitrovszky，A.Sergienko等2000年在《Metrologia》第37卷第617-620頁上發(fā)表的文章“Measurement of Quantum Efficiency Using Correlated Photon Pairsand a Single-Detector Technique”中提出了只需要一個(gè)探測器的絕對(duì)標(biāo)定其量子效率的方案，但是該方案有兩個(gè)缺陷。其一，要求探測器能夠分辨是一個(gè)光子還是兩個(gè)光子到達(dá)探測器光敏表面，這樣該方法就只能適用于光電倍增管，不能應(yīng)用于雪崩二極管單光子探測器(而這種類型的探測器的優(yōu)勢是波長范圍可到近紅外且量子效率高)，何況即使是對(duì)于光電倍增管，這一要求也是過分接近理想情況而很難達(dá)到。其二，他們的方法實(shí)際上是用光子流(photon flux)的概念代替前面討論的絕對(duì)標(biāo)定方法中的(在某一時(shí)間段內(nèi)的)光子數(shù)(photonnumber)，從而用探測器在不同時(shí)間內(nèi)分別對(duì)信號(hào)光子和閑置光子的響應(yīng)，應(yīng)用到類似上述絕對(duì)標(biāo)定的計(jì)算中去。這種替代法測量的不是真正的信號(hào)光子和閑置光子的一一對(duì)應(yīng)，忽視了泵浦激光源以及參量下轉(zhuǎn)換過程穩(wěn)定性的影響，因而本質(zhì)上已經(jīng)不再是一種絕對(duì)的標(biāo)定方法了。
因此，需要這樣一種裝置，該裝置只使用一個(gè)探測器即可實(shí)現(xiàn)對(duì)其自身量子效率的絕對(duì)標(biāo)定，且能夠最大范圍地應(yīng)用于各種類型的單光子探測器。
本實(shí)用新型的目的可通過如下措施來實(shí)現(xiàn)一種單光子探測器量子效率的絕對(duì)自身標(biāo)定裝置，包括激光器、非線性晶體和單光子探測器；在非線性晶體的參量光光路上設(shè)反射鏡，反射鏡將用于產(chǎn)生參量下轉(zhuǎn)換光子對(duì)的泵浦激光反射掉，然后在反射鏡的透射光路上設(shè)置偏振分束器，由偏振分束器根據(jù)偏振態(tài)將參量光分成兩個(gè)支路，在其中一條光路上設(shè)延時(shí)光路，再將這兩支光路由另一個(gè)偏振分束器合并，光路合并后的出射光傳播至單光子探測器；單光子探測器對(duì)先后到達(dá)其光敏面上的光子產(chǎn)生電脈沖信號(hào)，該脈沖信號(hào)分為三路，其中一路直接與計(jì)數(shù)電路相連進(jìn)行總計(jì)數(shù)，另一路對(duì)脈沖信號(hào)由延時(shí)電路進(jìn)行與光延時(shí)相同的延時(shí)，將延時(shí)后的脈沖信號(hào)與第三路脈沖信號(hào)輸入符合電路，經(jīng)符合后輸出信號(hào)與計(jì)數(shù)電路相連進(jìn)行計(jì)數(shù)，根據(jù)兩個(gè)計(jì)數(shù)率即可得出單光子探測器量子效率的絕對(duì)自身標(biāo)定值。
所述的延時(shí)光路由兩平面鏡組成，其中一平面鏡的反射光為另一平面鏡的入射光。
在合并光路用的偏振分束器與單光子探測器之間設(shè)干涉濾光片。
所述的符合電路為一邏輯與電路。
所述的延時(shí)光路的光延時(shí)Δt大于符合電路的時(shí)間窗口而小于等于非線性晶體中產(chǎn)生兩對(duì)參量光子的時(shí)間間隔。
所述的單光子探測器輸出的脈沖經(jīng)放大鑒別器放大輸出標(biāo)準(zhǔn)的NIM信號(hào)。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于本實(shí)用新型利用光參量下轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的光子對(duì)在時(shí)間上的相關(guān)性，先將參量光束分為兩路，然后引入相對(duì)延時(shí)，使同時(shí)產(chǎn)生的孿生光子先后進(jìn)入單光子探測器，然后對(duì)探測器之后的電路分為三束，其中一路直接進(jìn)入計(jì)數(shù)器得到探測器所探測到的光子的總計(jì)數(shù)率NA，另兩路用電路方法引入和光路相當(dāng)?shù)南鄬?duì)延時(shí)，經(jīng)符合電路后進(jìn)入計(jì)數(shù)器，得到前后到達(dá)探測器的光子對(duì)之間的符合計(jì)數(shù)率NC；這樣，即可在不需要任何其他探測器或者參照標(biāo)準(zhǔn)的情況下，獲得探測器的量子效率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)單光子探測器量子效率的絕對(duì)自身標(biāo)定。
在非線性晶體2的參量光光路上設(shè)反射鏡3，反射鏡3將用于產(chǎn)生參量下轉(zhuǎn)換光子對(duì)的泵浦激光反射掉，然后在反射鏡3的透射光路上設(shè)置偏振分束器P14，由偏振分束器4根據(jù)偏振態(tài)將參量光分成兩個(gè)支路，在其中一條光路上設(shè)延時(shí)光路5，再將這兩支光路由另一個(gè)偏振分束器P24合并，光路合并后的出射光傳播至單光子探測器7；單光子探測器7對(duì)先后到達(dá)其光敏面上的光子產(chǎn)生電脈沖信號(hào)，該脈沖信號(hào)分為三路，其中一路直接與計(jì)數(shù)電路9相連進(jìn)行總計(jì)數(shù)，另一路對(duì)脈沖信號(hào)由延時(shí)電路10進(jìn)行與光延時(shí)相同的延時(shí)，將延時(shí)后的脈沖信號(hào)與第三路脈沖信號(hào)輸入符合電路11，經(jīng)符合后輸出信號(hào)與計(jì)數(shù)電路12相連進(jìn)行計(jì)數(shù)，根據(jù)兩個(gè)計(jì)數(shù)率即可得出單光子探測器量子效率的絕對(duì)自身標(biāo)定值。
延時(shí)光路5由兩平面鏡組成，其中一平面鏡的反射光為另一平面鏡的入射光。
在合并光路用的偏振分束器P24與單光子探測器7之間設(shè)干涉濾光片6。
符合電路11為一邏輯與電路。
延時(shí)光路5的光延時(shí)Δt大于符合電路的時(shí)間窗口而小于等于非線性晶體2中產(chǎn)生兩對(duì)參量光子的時(shí)間間隔。
單光子探測器7輸出的脈沖經(jīng)放大鑒別器8放大輸出標(biāo)準(zhǔn)的NIM信號(hào)。
泵浦激光器1是波長為441.6nm的He-Cd激光器，其激光經(jīng)過非線性晶體如BBO2，通過II型參量下轉(zhuǎn)換過程產(chǎn)生的糾纏的簡并光子對(duì)，信號(hào)光光子(尋常光，即o光)和閑置光光子(非尋常光，即e光)。使用441.6nm的45°全反鏡3反射掉出射光中夾雜的泵浦激光，然后使信號(hào)光和閑置光同時(shí)進(jìn)入偏振分束器P14，分別沿o、e光光路傳播，利用兩個(gè)平面反射鏡5使o光光路光程比e光光路光程長Δt·c/n(c是真空光速，n是空氣折射率)，這樣使得原本同時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)閑置光子對(duì)之間出現(xiàn)延時(shí)Δt，并通過另一個(gè)偏振分束器P24再將兩條光路合并，閑置光、信號(hào)光光子經(jīng)干涉濾光片6先后進(jìn)入單光子探測器7。時(shí)間延時(shí)Δt要選擇合適的值，要大于符合電路時(shí)間窗口而小于等于非線性晶體2中產(chǎn)生兩對(duì)參量光子的時(shí)間間隔。單光子探測器7以某一幾率η(即探測器對(duì)該波段光子的量子效率)對(duì)到達(dá)的光子做出響應(yīng)，每次響應(yīng)就對(duì)應(yīng)給出一個(gè)負(fù)脈沖電流，進(jìn)入本實(shí)用新型的電路部分。
圖4給出本實(shí)用新型的電路部分的工作原理。圖4a是考慮對(duì)于探測器依次對(duì)先后到達(dá)的兩個(gè)光子都有了響應(yīng)的情況，鑒別放大器8輸出相應(yīng)的前后兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)NIM信號(hào)(前后時(shí)間間隔Δt)，并且分成三路輸出一路直接輸出到計(jì)數(shù)器A9，得到計(jì)數(shù)NA＝2；第二、第三路送到符合電路11，但第三路先經(jīng)過延時(shí)電路10Δt的電延時(shí)，它的兩個(gè)NIM信號(hào)在時(shí)間上同時(shí)后移Δt。這樣相對(duì)第二路電信號(hào)，形成了如附圖中所示的情況，第三路上的前一個(gè)NIM信號(hào)和第二路上的后一個(gè)NIM信號(hào)在時(shí)間上重疊。這樣當(dāng)?shù)诙沸盘?hào)和第三路信號(hào)同時(shí)進(jìn)入符合電路11后，就輸出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)NIM信號(hào)，計(jì)數(shù)器B12的計(jì)數(shù)進(jìn)一位，得到NC＝1，表示探測器7成功探測到了同時(shí)產(chǎn)生的一對(duì)參量光子。圖4b是考慮探測器7只是對(duì)先后到達(dá)的兩個(gè)光子中的某一個(gè)做出了反應(yīng)，只輸出了一個(gè)負(fù)脈沖信號(hào)，于是放大鑒別器8只輸出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)NIM信號(hào)的情況。對(duì)于第一條支路，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)NA＝1，表征探測器7探測到一個(gè)光子。對(duì)于第三支路，在其中傳輸?shù)腘IM信號(hào)相對(duì)第二支路中傳輸?shù)腘IM信號(hào)在時(shí)間上有Δt的滯后，于是如圖中所示，兩條電路上沒有在時(shí)間上同時(shí)出現(xiàn)的脈沖，符合電路11不輸出NIM信號(hào)，計(jì)數(shù)器B12計(jì)數(shù)不變，NC＝0，表征探測器沒有探測到同時(shí)產(chǎn)生的一對(duì)光子的全部(只探測到其中的一個(gè)光子)。
本實(shí)用新型的電路部分可采用公知電路。
如果探測器對(duì)前后到達(dá)的兩個(gè)光子都沒有響應(yīng)，計(jì)數(shù)器A9不會(huì)計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器B12當(dāng)然也不計(jì)數(shù)。
這樣根據(jù)計(jì)數(shù)器A9的計(jì)數(shù)和計(jì)數(shù)器B12的計(jì)數(shù)即可得出量子效率。這樣就實(shí)現(xiàn)了一個(gè)典型的單光子探測器的量子效率的自絕對(duì)標(biāo)定。
本實(shí)用新型的標(biāo)定原理如下本實(shí)用新型所使用的光源最好是II型參量下轉(zhuǎn)換過程所產(chǎn)生的簡并的即相同波長、同一方向出射的信號(hào)、閑置光子對(duì)，由泵浦激光通過非線性晶體2如BBO晶體在適當(dāng)?shù)臈l件下產(chǎn)生。其光場偏振特性分別為泵浦激光為非尋常extraodinary光，信號(hào)光為尋常ordinary光，閑置光為非尋常光。本實(shí)用新型先將泵浦光完全濾掉，讓參量光完全通過，然后用一個(gè)偏振分束器4如格蘭棱鏡將波長簡并的兩束出射光根據(jù)其偏振態(tài)分成兩個(gè)支路，分別設(shè)為信號(hào)光光路o和閑置光光路e。設(shè)單位時(shí)間內(nèi)每束參量光子數(shù)為N，利用兩個(gè)平面反射鏡5在閑置光光路中設(shè)置光延時(shí)Δt，該光延時(shí)大于符合電路11時(shí)間窗口而小于等于非線性晶體2中產(chǎn)生兩對(duì)參量光子的時(shí)間間隔，然后利用另一格蘭棱鏡4將兩個(gè)光路合并為同一個(gè)光路，進(jìn)入探測器7。探測器7接收到光子以后以某一量子效率η產(chǎn)生光生電流形成負(fù)脈沖輸出，經(jīng)鑒別放大器8后成為標(biāo)準(zhǔn)NIM信號(hào)，然后分成三路輸出。第一路直接進(jìn)入計(jì)數(shù)器A9，得到總的光子計(jì)數(shù)率NA＝2N·η (4)其中η為待測探測器的量子效率；第三路通過電路延時(shí)芯片得到與光路相同的延時(shí)Δt，然后與第二路進(jìn)行符合計(jì)數(shù)，得到符合計(jì)數(shù)NC＝N·η·η (5)于是得到η＝2 NC/NA(6)以上參照作為例子給出的、結(jié)合
的實(shí)施例，更詳細(xì)地描述本實(shí)用新型。雖然以上描述涉及到特定波長的泵浦激光，但是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員都懂得本實(shí)用新型可以廣泛應(yīng)用于其他波長的激光，也適用于目前應(yīng)用的各種單光子探測器。
權(quán)利要求1.一種單光子探測器量子效率的絕對(duì)自身標(biāo)定裝置，包括激光器(1)、非線性晶體(2)和單光子探測器(7)；其特征在于在非線性晶體(2)的參量光光路上設(shè)反射鏡(3)，然后在反射鏡(3)的透射光路上設(shè)置偏振分束器(4)，由偏振分束器(4)將參量光分成兩個(gè)支路，在其中一條光路上設(shè)延時(shí)光路，再將這兩支光路由另一個(gè)偏振分束器(4)合并，光路合并后的出射光傳播至單光子探測器(7)；單光子探測器(7)對(duì)先后到達(dá)其光敏面上的光子產(chǎn)生脈沖電信號(hào)，該脈沖信號(hào)分為三路，其中一路直接與計(jì)數(shù)電路相連進(jìn)行總計(jì)數(shù)，另一路的脈沖信號(hào)由延時(shí)電路進(jìn)行與光延時(shí)相同的延時(shí)，將延時(shí)后的脈沖信號(hào)與第三路脈沖信號(hào)輸入符合電路(11)，經(jīng)符合后輸出信號(hào)與計(jì)數(shù)電路相連進(jìn)行計(jì)數(shù)，根據(jù)兩個(gè)計(jì)數(shù)率即可得出單光子探測器(7)量子效率的絕對(duì)自身標(biāo)定值。
2.如權(quán)利要求1所述的單光子探測器量子效率的絕對(duì)自身標(biāo)定裝置，其特征在于由一激光器(1)產(chǎn)生的激光入射到一非線性晶體(2)中，產(chǎn)生兩束參量下轉(zhuǎn)換光。
3.如權(quán)利要求1所述的單光子探測器量子效率的絕對(duì)自身標(biāo)定裝置，其特征在于所述的延時(shí)光路由兩個(gè)偏振分束器(4)和兩反射鏡(5)組成，其中一反射鏡(5)的反射光為另一反射鏡(5)的入射光。
4.如權(quán)利要求1所述的單光子探測器量子效率的絕對(duì)自身標(biāo)定裝置，其特征在于在光路中用反射鏡(3)和干涉濾光片(6)，分別濾掉泵浦激光及雜散光。
5.如權(quán)利要求1所述的單光子探測器量子效率的絕對(duì)自身標(biāo)定裝置，其特征在于所述的符合電路(11)為一邏輯與電路。
6.如權(quán)利要求1所述的單光子探測器量子效率的絕對(duì)自身標(biāo)定裝置，其特征在于所述的延時(shí)光路的光延時(shí)Δt大于符合電路(11)的時(shí)間窗口而小于等于非線性晶體(2)中產(chǎn)生兩對(duì)參量光子的時(shí)間間隔。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種單光子探測器的量子效率的絕對(duì)自身標(biāo)定裝置，是利用光參量下轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的光子對(duì)在時(shí)間上的相關(guān)性，先將參量光束分為兩路，然后引入相對(duì)延時(shí)，使同時(shí)產(chǎn)生的孿生光子先后進(jìn)入單光子探測器，然后對(duì)探測器之后的電路分為三路，其中一路直接進(jìn)入計(jì)數(shù)器得到探測器所探測到的光子的總計(jì)數(shù)率N
文檔編號(hào)G01J11/00GK2585203SQ02240028
公開日2003年11月5日 申請(qǐng)日期2002年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月8日
發(fā)明者吳令安, 常君弢 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院物理研究所