[发明专利]一种基于角位置纠缠的量子关联成像方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于角位置纠缠的量子关联成像方法，属于量子光学及成像技术的交叉技术领域。

背景技术

关联成像(Correlated Imaging，简记为CI)，也称鬼成像(Ghost Imaging，简记为GI)，是近些年来量子光学领域中研究的的前沿和热点之一。关联成像能够在没有物体的参考光路获得物体清晰图像。它可突破经典衍射极限，具有高分辨率和高可见度，有广阔的应用前景，如卫星遥感，激光雷达，医学成像，军事，工业成像以及深空探测等众多领域，目前得到了广泛的关注。

1988年，Klyshko依据自发参量下转换(SPDC)光子对的纠缠行为，提出了关联成像方案。1995年，Pittman等人利用自发参量下转换产生的纠缠光子对，完成了基于量子纠缠的“鬼”成像实验验证。随后的相关理论和实验表明纠缠关联成像的特性要么体现在动量－位置测不准关系的动量纠缠，要么体现在动量－位置测不准关系的位置纠缠上。光子轨道角动量(OAM)和(角)位置也是一种纠缠源。与光子极化态仅有两种取值相比，单个光子的OAM取值可从负无穷到正无穷，极大地增加了单个光子传输信息的能力。2009年，Back等人借鉴光子极化态纠缠关联成像方法，完成了基于OAM纠缠的关联成像实验，并从OAM方面提示了关联成像的量子本质。在此实验基础上，我们于2011年提出了一种基于OAM纠缠的多灰度“鬼”成像的方法和实验验证。这为相位物体的成像过程提供一种简单易行方案。另一方面，Jha等人于2010年实验验证角位置与角动量是一对测不准物理量，可通过双角缝获得基于角位置的干涉。与角动量纠缠相比，基于角位置纠缠的符合计数与角缝角度间的关系将更加简单。因此，本发明提出一种基于角位置纠缠的关联成像方案，将被成像物体信息编码成不同角度的角缝，并将不同的角缝通过相位加载到光束上。由于符合计数与角缝角度间存在着单调的函数关系，可根据符合计数值在参考光路获得物体的信息，得到物体的成像。本发明给出了一种新型的纠缠关联成像方法，具有重要的理论意义和应用价值。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于角位置纠缠的量子关联成像方法，该方法首次将角位置纠缠应用于关联成像技术。在该方法中，一高斯泵浦光通过BBO晶体进行参数下转换，产生一纠缠光子对。若信号光路为LG_-l,0模式，则闲置光路将为LG_+l,0模式。将待成像物体的不同信息被编码成不同角度的角缝θ，并将不同的角缝加载到信号光束的相位上。由于符合计数与角缝θ间存在着单调的函数关系，通过设置特定区域，可获得符合计数与物体信息间的一一对应关系。于是，在参考光路根据符合计数可获得物体的信息，得到物体的成像，该方法实现简单，对于多灰度图像物体具有很好的成像效果。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：本发明提供了一种基于角位置纠缠的量子关联成像方法，该方法包括如下步骤：

步骤一：一束高斯泵浦光透过Ι型退化非线性相位匹配器晶体，通过参量下转换产生一对纠缠对。产生的光子纠缠对可表示为其中s和i代表信号光路和闲置光路；|l>表示阶数为l的轨道角动量的本征态；|c_l|²是阶数分别为l和-l模式下的概率。

步骤二：建立如图1所示的基于角位置纠缠的量子关联成像方法实现示意图，令闲置光路为|+l>模式，信号光路为|-l>模式。

步骤三：在信号光路中先将被成像物体的灰度编码成不同的角缝θ，并以扇形相位的形式加载到信号光路。本发明选择角缝角度的取值为0到π，若物体的灰度等级为M，则成像物体的灰度值分别对应0，π/(M-1),2π/(M-1),...,(M-2)π/(M-1),和π等M个不同的角缝θ，不同灰度值被编码成不同的角缝θ。

步骤四：将被成像物体的信息，即不同的角缝角度θ加载到信号光路上，并对信号光路和闲置光路进行符合测量，获得符合计数。由前述分析可知，信号光路加载的扇形相位的夹角θ与符合计数值存在单值对应关系，c_l和A都是常数。通过符合计数值能够获得加载的角缝θ大小。

步骤五：通过步骤三产生的灰度值与角缝的编码对应关系，在闲置光路恢复出每个像素点的灰度值，获得被成像物体信息。

本发明所述方法是以纠缠光子对的角位置纠缠理论为基础的一种关联成像方法；根据符合计数值与信号光路所加载的扇形角缝相位之间存在单值对应关系为前提。

本发明所述方法可适合多灰度被成像物体的关联成像。