[发明专利]光束相移及偏振旋转的同时超分辨测量装置及方法

说明书

本发明公开了光束相移及偏振旋转的同时超分辨测量装置及方法，属于量子精密测量领域。光束相移及偏振旋转的同时超分辨测量装置包括：激光器、偏振片、第一偏振分光棱镜、相移器、偏振旋转器、第二偏振分光棱镜、第一光子数分辨探测器、反射镜、非偏振分光棱镜和第二光子数分辨探测器。本发明可以对由样品引起的偏振旋转及相移进行同时探测，且探测分辨率随着入射激光脉冲中的平均光子数N的增大而增大。

技术领域

本发明属于量子精密测量领域，尤其涉及一种光束相移及偏振旋转的同时超分辨测量装置及方法。

背景技术

多参数估计是量子精密测量领域的一个重要研究方向，相比单参数量子探测具有更高的探测灵敏度，但是目前具体实施实例较少。以往的多参数量子测量方案都是设计多臂干涉仪，用于同时测量各待测臂与参考臂之间的相位差。这种方案的系统复杂不易实现而且只利用了激光光束中的相位信息，尚未对偏振信息进行有效的利用。

发明内容

本发明针对现有的多参数量子测量方法只利用了激光光束中的相位信息进行测量，存在的局限性问题，旨在提供一种光束相移及偏振旋转的同时超分辨测量装置及方法。

本发明提供了一种光束相移及偏振旋转的同时超分辨测量装置，包括：激光器、偏振片、第一偏振分光棱镜、相移器、偏振旋转器、第二偏振分光棱镜、第一光子数分辨探测器、反射镜、非偏振分光棱镜和第二光子数分辨探测器；

所述激光器发射的脉冲激光经所述偏振片偏振后被所述第一偏振分光棱镜分为第一透射光束和第一反射光束，所述第一透射光束依次经过待测样品、所述相移器和所述偏振旋转器，以及经所述第二偏振分光棱镜分光分为第二透射光束和第二反射光束，所述第二透射光束被所述第一光子数分辨探测器接收，以探测所述第二透射光束中包含的光子个数；所述第一反射光束经所述反射镜反射后，与所述第二反射光束在所述非偏振分光棱镜处干涉后，被所述第二光子数分辨探测器接收，以探测经干涉后的光束中包含的光子个数。

优选的，所述偏振片的偏振方向与竖直方向的夹角为45度，经所述偏振片偏振后的所述脉冲激光的水平方向的偏振分量与竖直方向的偏振分量相等。

优选的，所述待测样品用以在所述第一透射光束中附加一第一相移并将所述第一透射光束的偏振方向旋转一第一角度θ₁。

优选的，所述相移器用以在所述第一透射光束中进一步附加一第二相移

优选的，所述偏振旋转器用以将所述第一透射光束的偏振方向进一步旋转一第二角度θ₂。

优选的，所述第一偏振分光棱镜用以对经偏振后的脉冲激光分为水平方向的第一透射光束和竖直方向的第一反射光束。

优选的，所述第二偏振分光棱镜用以对经偏振旋转和相移后的脉冲激光分为水平方向的第二透射光束和竖直方向的第二反射光束。

本发明还提供了一种光束相移及偏振旋转的同时超分辨测量方法，应用于上述的光束相移及偏振旋转的同时超分辨测量装置中，所述方法包括下述步骤：

S1.所述激光器以固定功率，固定重复频率发射脉冲激光，将所述第一光子数分辨探测器移置于所述偏振片后面，以探测脉冲激光中每个脉冲中包含的光子数，根据每次所测得数据计算平均值以获得平均光子数N；

S2.保持所述激光器输出功率不变，将所述第一光子数分辨探测器放置于所述第二偏振分光棱镜后面；

S3.采用所述第一光子数分辨探测器记录第二反射光束中每个脉冲中接收到的光子个数，根据接收到的光子个数计算所述待测样品的偏振旋转角度；

S4.采用所述第二光子数分辨探测器记录经干涉后的光束中每个脉冲中接收到的光子个数，根据接收到的光子个数计算所述待测样品的相移。