專利名稱：一種測量弱光光源拍頻的方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種對弱光光源的拍頻進行測量的方法及裝置。
背景技術：
傳統(tǒng)的測量光源拍頻的方法的原理如下一個探測器探測具有一定強度的光源，其輸出的光電信號經(jīng)過前置放大器后，由頻譜分析儀通過電路進行分析，從而得到光源的拍頻。其探測過程受到探測器、前置放大器和頻譜分析儀的響應時間的限制，該方法所能測量的頻率范圍在GHz量級內(nèi)。并且受到不可避免的散粒噪聲的影響，該方法不能測量弱光。
1991年傅盤銘、米辛等人在《Optics Letters》第16卷第1526頁-1528頁上的文章“Observation of the beat between two independent light sourcesby a method of time-delayed laser-induceddouble gratings”提出了一種測量兩個獨立光源間的拍頻的方法，其時間分辨率可達到10-12秒的量級。但該方法需要一種三階非線性介質，在介質中形成兩套獨立的光柵，因此通常需要高功率密度的脈沖激光光源。Z.Y.Ou和L.Mandel兩人曾在1988年的《Physical Review Letters》第61卷第54頁-57頁上發(fā)表文章《Observation of spatial quantum beating with separated photodetectors》，提出用符合計數(shù)的測量方法測量參量下轉換產(chǎn)生的光子對之間的拍頻，其原理是利用參量下轉換產(chǎn)生的光子對在時間上的相關性，改變光子對的光學路徑的相對長度，測量符合計數(shù)，得到計數(shù)隨光學路徑差的變化曲線，進而得到拍頻信息。這種方法所能測量的拍頻頻率可高達105GHz，比探測器的響應頻率高上千倍。但該方法要求兩束光在時間上要相關，并且要掃描光學路徑差。
由于以上幾種方法的局限性，要想探測弱光的拍頻，并且不受探測器、前置放大器和頻譜分析儀響應時間的限制，需另尋辦法。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術中存在的問題，本發(fā)明的目的是提供一種測量弱光光源拍頻的方法；進一步地，還提供一種不依賴于頻譜儀的測量弱光光源拍頻的裝置。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明一種測量弱光光源拍頻的方法包括如下步驟(i)將激光光源經(jīng)過衰減器衰減成強度為單光子流的極弱光，再用分束器將弱光分成兩束；(ii)將兩束弱光經(jīng)過濾光器濾掉雜散光后，分別引入第一單光子探測器和第二單光子探測器，對到達的光子做出響應并分別產(chǎn)生一個負脈沖電信號；(iii)所述負脈沖電信號分別經(jīng)過第一鑒別放大器和第二鑒別放大器，并輸出標準負NIM信號；(iv)將第二探測器輸出的NIM信號引入延時線；(v)將第一探測器和第二探測器分別輸出的NIM信號輸入時幅轉換儀，時幅轉換儀對先后到達的NIM信號作出響應，輸出一個正的矩形波信號；(vi)將該矩形波信號輸進多道分析儀，每個信號作為一個計數(shù)根據(jù)幅度大小被分配到相應的道址上；(vii)經(jīng)過積累得到多道分析儀上的計數(shù)分布直方圖，即時域下的拍頻曲線圖；(viii)對拍頻曲線圖的數(shù)據(jù)進行數(shù)值傅立葉分析，得到頻域下的拍頻。
進一步地，所述衰減器為衰減片。
進一步地，所述濾光器為干涉濾光片。
進一步地，所述分束器為半透半反鏡。
實現(xiàn)上述弱光光源的拍頻測量的方法的一種測量弱光光源拍頻的裝置包括衰減器、分束器、第一衰減器、第二衰減器、第一濾光器、第二濾光器、第一單光子探測器、第二單光子探測器、第一鑒別放大器、第二鑒別放大器、延時線、時副轉換儀和多道分析儀；衰減器的輸出端與分束器的輸入端相連，分束器的一個輸出端與時副轉換儀的一個輸入端之間依次連接第一衰減器、第一濾光器、第一單光子探測器、第一鑒別放大器，分束器的另一個輸出端與時副轉換儀的另一個輸入端之間依次連接第二衰減器、第二濾光器、第二單光子探測器、第二鑒別放大器、延時線，時副轉換儀的輸出端與多道分析儀的輸入端相連；激光光源經(jīng)過所述衰減器和分束器后，成為兩束單光子流的弱光，其中一束弱光經(jīng)所述第一濾光器后濾掉雜散光，經(jīng)所述第一單光子探測器后產(chǎn)生一個負脈沖信號，再經(jīng)所述第一鑒別放大器后輸出一個標準的負NIM信號，最后輸入到所述時副轉換儀；另一束弱光經(jīng)過所述第二濾光器后濾掉雜散光，經(jīng)所述第二單光子探測器后產(chǎn)生一個負脈沖信號，再經(jīng)所述第二鑒別放大器后輸出一個標準的負NIM信號，并經(jīng)延時線后輸入所述時副轉換儀；所述時副轉換儀對先后到達的NIM信號作出響應，并輸出一個正的矩形波信號，最后輸入所述多道分析儀。
進一步地，所述衰減器為衰減片。
進一步地，所述濾光器為干涉濾光片。
進一步地，所述分束器為半透半反鏡。
本發(fā)明既可在不依賴于頻譜分析儀的情況下，對弱光光源的拍頻進行測量，又不受探測器和前置放大器的響應時間的限制。對于現(xiàn)有的一般技術水平，若多道分析儀的檔取8k道址，時幅轉換儀量程選為最小的50ns，則多道分析儀的每個道址對應著約10ps的延時，可測量的拍頻頻率能達到幾十GHz的量級。


圖1是自相關運算原理圖；圖2是本發(fā)明弱光光源拍頻的測量裝置結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對實施例作進一步詳述本發(fā)明的原理是如圖1所示，利用相關函數(shù)C12(τ)＝∫I1(t)I2(t+τ)dt的特性，即相關運算是比較兩個函數(shù)I1(t)和I2(t)的相似性，在相似處會出現(xiàn)峰值。定義兩個量子光場的二階相干函數(shù)為C12(τ)＝<:I1(t)I2(t+τ):>，(1)其中Ii(t)為光場強度，i＝1或2。經(jīng)過推導可得，C12(τ)∝cos[(ω1-ω2)τ]。 (2)式中，ω1、ω2為光場的角頻率，ω1-ω2即為兩光場的拍頻。若一束光含有多個頻率的光場，那么，自相關運算C11(τ)＝∫I1(t)I1(t+τ)dt的結果將包含光強隨時間變化的信息，即拍頻信息。
用時幅轉換儀和多道分析儀對一束光進行測量時，可以證明該測量為自相關測量。時幅轉換儀是這樣一個裝置其Start端和Stop端分別接收到具有相對延遲時間τ的兩個輸入信號后，輸出給多道分析儀一個幅度與延遲時間τ成正比的正的矩形波信號。如果時幅轉換儀的Start端接收到一信號后，在接收到下一個信號前，Stop端沒有接收到信號，則時幅轉換儀無信號輸出。如果時幅轉換儀的Start端接收到一信號，在接收到下一個信號前，Stop端接收到多個信號，則時幅轉換儀只對第一個Stop信號響應，輸出一個正的矩形波信號。
多道分析儀為一個將幅度不等的正信號作為計數(shù)對應地分配到不同道址上的裝置。多道分析儀的道址與信號幅度成正比關系，即與時幅轉換儀接收到的一對信號的相對延遲時間τ成正比。所以，經(jīng)過一段時間的積累，多道分析儀上顯示的計數(shù)與道址的關系就是計數(shù)與延遲時間τ的關系。
設時幅轉換儀的Start端在t時刻接收到一個光電信號的概率為P1(t)，在t+τ時刻Stop端接收到一個光電信號的概率為P2(t+τ)，多道分析儀上對應延時為τ的道址寬度為2τc，則在t時刻該道址記錄一個計數(shù)后，在Δt時間內(nèi)增加一個計數(shù)的概率為P12(τ)=∫TT+ΔTdt∫-tctcP1(t)P2(t+τ+t′)dt′.----(3)]]>式中，Pi(t)=ηiPi′(t)]]>(i＝1或2)， (4)其中ηi為第i個單光子探測器的探測效率，Pi′(t)為第i個單光子探測器在t時刻接收到一個光子的概率。這里，Pi′(t)=DIi(t)---(5)]]>其中，D為比例常數(shù)，與被探測光的波長和所用單光子探測器的性質有關。所以有，P12(τ)＝∫P1(t)P2(t+τ)dt∝∫I1(t)I2(t+τ)dt。 (6)可見，時幅轉換儀和多道分析儀對一束光所作測量為自相關測量。所得結果含有時域下的拍頻信息，進行數(shù)值傅立葉分析后即可獲得頻域下的拍頻。
如圖2所示，激光光源1是波長為632.8nm的He-Ne激光器，其產(chǎn)生的激光經(jīng)過衰減片2后成為單分子流的弱光，再用632.8nm的半透半反鏡3將光束分成兩束，分別經(jīng)過第一干涉濾光片41和第二干涉濾光片42濾掉雜散光后進入第一單光子探測器51和第二單光子探測器52；第一單光子探測器51和第二單光子探測器52以某一幾率，即探測器對該波段光子的量子效率，對到達的光子作出響應，每次響應就對應給出一個負脈沖電流。負脈沖電流經(jīng)過第一鑒別放大器61和第二鑒別放大器62后，輸出相應的標準NIM信號。第一鑒別放大器輸出的NIM信號直接輸進時幅轉換儀8的Start一端，第二鑒別放大器輸出的NIM信號經(jīng)過延時線7后，輸入時幅轉換儀8的Stop一端。時幅轉換儀8對先后到達的NIM信號(一個Start信號對應一個Stop信號)作出響應，每響應一次就對應給出一個正的矩形波信號，其幅度的大小與Stop信號相對Start信號的延遲時間成正比。該矩形波信號輸入多道分析儀9后，根據(jù)信號幅度大小將被分到一個對應的道址上，作為一個計數(shù)。幅度不等的矩形波信號分到對應的不同道址上，幅度相等的矩形波信號將被分到對應的同一個道址上。經(jīng)過一段時間的積累，在多道分析儀9上就形成時域下的拍頻圖像，最后再經(jīng)過數(shù)值傅立葉分析就可得到頻域下光源的拍頻。
本發(fā)明對其它的激光光源同樣適用。
權利要求
1.一種測量弱光光源拍頻的方法，其特征在于，包括如下步驟(i)將激光光源經(jīng)過衰減器衰減成強度為單光子流的極弱光，再用分束器將弱光分成兩束；(ii)將兩束弱光經(jīng)過濾光器濾掉雜散光后，分別引入第一單光子探測器和第二單光子探測器，對到達的光子做出響應并分別產(chǎn)生一個負脈沖電信號；(iii)所述負脈沖電信號分別經(jīng)過第一鑒別放大器和第二鑒別放大器，并輸出標準負NIM信號；(iv)將第二探測器輸出的NIM信號引入延時線；(v)將第一探測器和第二探測器分別輸出的NIM信號輸入時幅轉換儀，時幅轉換儀對先后到達的NIM信號作出響應，輸出一個正的矩形波信號；(vi)將該矩形波信號輸進多道分析儀，每個信號作為一個計數(shù)根據(jù)幅度大小被分配到相應的道址上；(vii)經(jīng)過積累得到多道分析儀上的計數(shù)分布直方圖，即時域下的拍頻曲線圖；(viii)對拍頻曲線圖的數(shù)據(jù)進行數(shù)值傅立葉分析，得到頻域下的拍頻。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種測量弱光光源拍頻的方法，其特征在于，所述衰減器為衰減片。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種測量弱光光源拍頻的方法，其特征在于，所述濾光器為干涉濾光片。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種測量弱光光源拍頻的方法，其特征在于，所述分束器為半透半反鏡。
5.一種測量弱光光源拍頻的裝置，其特征在于，包括衰減器、分束器、第一衰減器、第二衰減器、第一濾光器、第二濾光器、第一單光子探測器、第二單光子探測器、第一鑒別放大器、第二鑒別放大器、延時線、時副轉換儀和多道分析儀；衰減器的輸出端與分束器的輸入端相連，分束器的一個輸出端與時副轉換儀的一個輸入端之間依次連接第一衰減器、第一濾光器、第一單光子探測器、第一鑒別放大器，分束器的另一個輸出端與時副轉換儀的另一個輸入端之間依次連接第二衰減器、第二濾光器、第二單光子探測器、第二鑒別放大器、延時線，時副轉換儀的輸出端與多道分析儀的輸入端相連；激光光源經(jīng)過所述衰減器和分束器后，成為兩束單光子流的弱光，其中一束弱光經(jīng)所述第一濾光器后濾掉雜散光，經(jīng)所述第一單光子探測器后產(chǎn)生一個負脈沖信號，再經(jīng)所述第一鑒別放大器后輸出一個標準的負NIM信號，最后輸入到所述時副轉換儀；另一束弱光經(jīng)過所述第二濾光器后濾掉雜散光，經(jīng)所述第二單光子探測器后產(chǎn)生一個負脈沖信號，再經(jīng)所述第二鑒別放大器后輸出一個標準的負NIM信號，并經(jīng)延時線后輸入所述時副轉換儀；所述時副轉換儀對先后到達的NIM信號作出響應，并輸出一個正的矩形波信號，最后輸入所述多道分析儀。
6.根據(jù)權利要求5所述的一種測量弱光光源拍頻的裝置，其特征在于，所述衰減器為衰減片。
7.根據(jù)權利要求5所述的一種測量弱光光源拍頻的裝置，其特征在于，所述濾光器為干涉濾光片。
8.根據(jù)權利要求5所述的一種測量弱光光源拍頻的裝置，其特征在于，所述分束器為半透半反鏡。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種測量弱光光源拍頻的方法及裝置。該方法是將激光衰減后分成兩束，分別經(jīng)過干涉濾光后輸入兩個單光子探測器，其中一路經(jīng)過鑒別放大器后直接進入時副轉換儀，另一路經(jīng)過鑒別放大器后先經(jīng)延時線，再輸入時副轉換儀；然后將時幅轉換儀輸出的信號輸進多道分析儀，經(jīng)過積累在多道分析儀上即可獲得時域下光源的拍頻數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)值傅立葉分析后可以得到頻域下弱光光源的拍頻。本發(fā)明既可在不依賴于頻譜分析儀的情況下，對弱光光源的拍頻進行測量，又不受探測器和前置放大器的響應時間的限制。
文檔編號G01M11/02GK1584535SQ20041004600
公開日2005年2月23日 申請日期2004年5月31日 優(yōu)先權日2004年5月31日
發(fā)明者吳令安, 侯巖雪, 馬海強 申請人:中國科學院物理研究所