热光关联成像与亚波长干涉.docVIP

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热光关联成像与亚波长干涉 摘 要:实验利用激光经旋转地毛玻璃散射形成类热光源,进行了HBT实验;并对两个大小不同的小孔进行了关联成像,验证了热光关联成像公式。并且通过关联测量验证了热光的双缝干涉现象中.当,热光的二阶干涉条纹间隔相当于波长为λ/2的激光的干涉条纹间隔,即亚波长干涉。当x1=0,x2=x 时干涉条纹间距与激光的干涉条纹间距相同。当x1=x2=x时, 为一个常数,没有干涉条纹分布。 关键词:鬼成像,HBT实验,热光关联成像,热光亚波长干涉 引言 1995年,史砚华等人利用自发参量下转换产生的纠缠光子对实现“鬼成像”。利用双光子纠缠态满足动量守恒定律,两个光子空间波矢存在关联这一性质,将纠缠的两个光子分别送到两个不同的光学线性传输系统中,这两个系统分别被称为取样臂和参考臂.光在取样臂中先经过成像元件,然后照亮一个待成像的物体,物光由一个桶探测器进行探测.在参考臂的探测平面上通过扫描光纤来实现空间各点的探测。直接测量两个系统的输出强度分布不能得到这个物体的信息,然而通过合理安排这两个光学系统,并在它们的输出乎面进行符合测量,就可以得到物体的像。鬼成像实验证明了纠缠双光子不仅可以传递量子信息,而且可以用特殊的方式传递经典信息。随着研究的深入,人们逐渐认识到利用经典热光源可以模拟量子纠缠光的部分性质,实现关联成像. 传统光学认为,当单色光以确定的方向照射双缝时,可以观察到干涉条纹.如果单色光照射双缝的方向完全随机时,干涉条纹将消失,因为混乱无序的光线传播方向破坏了光的相干性,这很容易用实验来证明.之后两个实验组报道了采用晶体自发参量下转换产生的纠缠光子对为光源照射到双缝上,采用双光子符合测量可以观察到干涉条纹,并且条纹间隔如同经典下转换光波长的1/2的光源形成的普通干涉条纹一样.这一现象被称为亚波长干涉或量子光刻。我系汪凯戈研究小组首先研究了高增益自发参量下转换光的双缝干涉,发现在含有大量光子的强纠缠光作用下,亚波长干涉效应仍然存在.他们通过实验证明,横向传播方向无序的热光源可以实现高阶双缝干涉.尽管单个探测器的强度分布是均匀的,处于不同位置的两个探测器的联合强度关联却出现了干涉条纹.当两个探测器同步反向移动时,条纹间距减小为一阶干涉条纹的一半.实验结果同在自发参量下转换过程中产生的纠缠双光子对的双缝实验中所观察到的亚波长干涉效应十分类似. 实验原理 2.1、光场的一阶相关函数 定义两个时空点的光场一阶相关函数为: (2-1) 当两个时空点为同一时空点时,引入归一化的相关系数为: (2-2) 2.2、HBT实验与光场的高阶相关函数。 HBT实验是量子光学的奠基性实验,它第一次从实验验证了光的关联效应,来自光源S的光束经一分束器BS后分成两束光,并分别由两个探测器DI和D2测量,探测器输出的信号被送到相关器,其中一路电信号经过延时τ.相关器测到的物理量是: (2-3) 上式右边第一项是如下相关系数 (2-4) ,描述两个时空点光场强度的关联。归一化后的二阶相关函数为 对于单色的热光场 : (2-6) 对于同一空间点,τ越大越小,关联时间为下降到其最大值10%处的延迟时间,实验中没有使用延时器τ始终为零,测得的是的最大值。 2.3、热光的关联成像理论 光场通过如图1 的线性系统,图中,x0,x1和x2分别是光源输出平面、被分束后的参考臂和取样臀探测平面的横向坐标.在取样臂中,光通过凸透镜L照亮待成像的物体,探测器D1采集物体的所有信息.在参考臂中,参考光沿z轴自由传播,最终由探测器D2采集参考光的空间分布信息. 图1 关联成像实现方案 热光场通过图1 的光学系统,探测平面上的光场的横向分布为: (2-10) 式中,是广元平面的横向光场,在热光源空间频率带宽无穷大时,取S(q)=S(0)=1,且参考比和取样臂满足关联成像的高斯公式: (2-11) 从二阶关联中存在位置关联的项的积分结果可以看出来对于物面上每一点x2,都能在像平面上找到对应的点x1,对物体所在平面进行积分,可以在像平面得到物体的空间分布。如图2 成像示意图。 图2 热光关联成像示意图 2.4、热光的亚波长干涉 对于激光,一阶干涉条纹和二阶干涉条纹具有相同的间距,但对于热光,当其正入射到双缝上,探测平面上热光一阶关联函数为 (2-12) 二阶关联函数为:

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