本發(fā)明涉及光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種熱光源非定域物體辨別方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1909年，Poynting發(fā)現(xiàn)光波具有自旋角動量。1992年，Leidon大學(xué)的Allen等人發(fā)現(xiàn)光子除具有自旋角動量外，還攜帶軌道角動量(OAM)。

2002年，Glasgow大學(xué)的Padgett小組實驗上實現(xiàn)了光子軌道角動量分離技術(shù)，并且指出以軌道角動量作為信息載體，可大大提高單個光子的通訊容量，這主要是由于光子的軌道角動量是無限維度的。

2001年，Zeilinger小組首次實驗演示了自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的雙光子顯示出軌道角動量糾纏。

2005年，Woerdman小組利用半整數(shù)階的螺旋相位實驗演示了分?jǐn)?shù)軌道角動量糾纏，并于2008年引入了“Shannon維度"的概念，用來刻畫了高維軌道角動量糾纏所允許量子信道的通信容量。

目前，利用光子軌道角動量作為信息載體的應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域還屬于空白階段，很多應(yīng)用技術(shù)還僅處于理論探討階段，有待于本領(lǐng)域的科研人員做伸入的開發(fā)和研究。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種熱光源非定域物體辨別方法及系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述技術(shù)問題。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供了一種熱光源非定域物體辨別方法，包括如下步驟：

S1.非相干熱光束均分為樣本光束和探測光束；

S2.所述樣本光束和所述探測光束分別通過樣本光路和探測光路，其中，樣本光路和探測光路對稱設(shè)置；

S3.在所述探測光路上加載被探測物的叉型圖，在所述樣本光路上不加載任何物體；

所述探測光束的軌道角動量不變，改變所述樣本光束的軌道角動量，對樣本光束和探測光束進(jìn)行軌道角動量的關(guān)聯(lián)測量，利用熱光源的二階關(guān)聯(lián)特性，獲得被探測物的角雙縫所對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)軌道角動量譜；

S4.在所述樣本光路加載不同檢測樣本的叉型圖，在所述探測光路上繼續(xù)加載被探測物的叉型圖；

所述探測光束的軌道角動量不變，再次改變所述樣本光束的軌道角動量，對樣本光束和探測光束進(jìn)行軌道角動量的關(guān)聯(lián)測量，利用熱光源的二階關(guān)聯(lián)特性，獲得不同檢測樣本的角雙縫所對應(yīng)的樣本軌道角動量譜；

S5.對比標(biāo)準(zhǔn)軌道角動量譜和樣本軌道角動量譜，當(dāng)兩者一致時，被探測物與該檢測樣本相同。

進(jìn)一步地，所述樣本光路和所述探測光路上對稱設(shè)置有空間光調(diào)制器，所述空間光調(diào)制器用于向所述樣本光束或所述探測光束加載檢測樣本或者被探測物叉型圖。

進(jìn)一步地，代表不同角動量值的所述叉型圖由計算機(jī)程序生成。

進(jìn)一步地，所述非相干熱光束為一級衍射光譜；或者，所述非相干熱光束在均分為所述樣本光束和所述探測光束前，利用光闌過濾只保留一級衍射光譜。

進(jìn)一步地，步驟S3中，同步采集所述樣本光束和探測光束的光信號，以實現(xiàn)軌道角動量的關(guān)聯(lián)測量。

進(jìn)一步地，步驟S3中，通過控制信號采集的時間窗口，以保持所述樣本光路和所述探測光路的光子采集同步。

進(jìn)一步地，所述樣本光束和探測光束進(jìn)行軌道角動量的關(guān)聯(lián)測量時，需滿足如下公式：

其中，G⁽²⁾為代表軌道角動量的二階關(guān)聯(lián)函數(shù)；

l₁為樣本光路中的軌道角動量值；

l₂為探測光路中的軌道角動量值；

I₁為樣本光路中單光子探測器測量的光強(qiáng)值；

I₂為探測光路中單光子探測器測量的光強(qiáng)值；

為樣本光路末端單光子探測器探測面的光場分布函數(shù)；

為探測光路末端單光子探測器探測面的光場分布函數(shù)；

ΔG為熱光軌道角動量的漲落關(guān)聯(lián)函數(shù)。

一種熱光源非定域物體辨別系統(tǒng)，其包括光路上依次設(shè)置的熱光源、非偏振分束器、空間光調(diào)制器(SLM)、單光子探測器(APD)和計算機(jī)；

所述熱光源用于發(fā)出非相干熱光束；

所述非相干熱光束通過所述非偏振分束器按照光強(qiáng)均分為樣本光束和探測光束；

所述樣本光束的光路為樣本光路，

所述探測光束的光路為探測光路；

所述樣本光路與所述探測光路上的元器件對稱設(shè)置；

所述空間光調(diào)制器用于改變光子的軌道角動量；所述單光子探測器用于收集光信號；

所述空間光調(diào)制器包括所述樣本光路和所述探測光路上對稱設(shè)置的第一空間光調(diào)制器(SLM₁)和第二空間光調(diào)制器(SLM₂)；

所述單光子探測器包括所述樣本光路和所述探測光路上對稱設(shè)置的第一單光子探測器(APD₁)和第二單光子探測器(APD₂)；

所述第一單光子探測器(APD₁)和所述第二單光子探測器(APD₂)與計算機(jī)連接，計算機(jī)同步采集所述樣本光束和探測光束的光信號，并對樣本光束和探測光束的光子進(jìn)行關(guān)聯(lián)測量。

進(jìn)一步地，所述第一單光子探測器(APD₁)和所述第二單光子探測器(APD₂)與所述計算機(jī)主板上的采集卡連接。

進(jìn)一步地，所述熱光源包括激光發(fā)生器和數(shù)字微鏡面，自激光發(fā)生器發(fā)出的激光束照射所述數(shù)字微鏡面產(chǎn)生空間相位隨機(jī)分布的非相干熱光束；激光光束經(jīng)數(shù)字微鏡面反射后通過所述非偏振分束器。

進(jìn)一步地，所述數(shù)字微鏡面(DMD)與所述非偏振分束器之間的光路上設(shè)置有只讓一級光譜通過的光闌。

進(jìn)一步地，所述數(shù)字微鏡面(DMD)與所述光闌之間設(shè)置有雙凸透鏡，所述光闌設(shè)置在雙凸透鏡的焦距上。

進(jìn)一步地，在所述非偏振分束器與所述光闌之間設(shè)置有雙凸透鏡。

進(jìn)一步地，所述第一單光子探測器(APD₁)包括通過單模光釬連接的第一鏡頭，所述第一鏡頭設(shè)置在所述樣本光路末端，用于接收樣本光束的信號；

所述第二單光子探測器(APD₂)包括通過單模光釬連接的第二鏡頭，所述第二鏡頭設(shè)置在所述探測光路末端，用于接收探測光束的信號。

進(jìn)一步地，所述樣本光路和探測光路上，所述鏡頭和所述空間光調(diào)制器之間設(shè)置有雙凸透鏡、以及只讓一級光譜通過的光闌。

進(jìn)一步地，所述第一空間光調(diào)制器和所述第二空間光調(diào)制器與計算機(jī)連接，計算機(jī)用于通過空間光調(diào)制器向樣本光束和/或探測光束加載代表設(shè)定角動量值的檢測樣本或者被探測物。

進(jìn)一步地，所述被探測物為角向的振幅型透射物體。

進(jìn)一步地，所述計算機(jī)中存儲多個所述檢測樣品的樣品圖庫。

本發(fā)明中通過計算機(jī)程序生成一個待測“物體”的透過率分布函數(shù)，然后將這個生成的“物體”分布函數(shù)用軟件生成待測物體的圖片，然后通過SLM的控制軟件，將“物體”圖片加載到SLM的反射面上。這樣當(dāng)光束照射到SLM并反射后，所產(chǎn)生的光場就加載了待測物體的信息。

本發(fā)明利用非相干熱光源，首次實現(xiàn)了利用軌道角動量域的關(guān)聯(lián)特性的角雙縫干涉圖譜，通過對比檢測樣本和被探測物的圖譜來辨別被探測物，該方法降低了對光源相干性的要求，從而拓展了其應(yīng)用范圍，且光路不需要直接照射被探測物，實現(xiàn)了對被探測物的非定域探測。

其中，所述“非定域”是指樣本光路和探測光路不直接照射被測物體。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明具體實施方式或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案下面將對具體實施方式或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實施方式，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實施例提供的熱光源非定域物體辨別系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為被探測物T₂的角雙縫所對應(yīng)的軌道角動量譜；

圖3-7為不同檢測樣本T₁的角雙縫所對應(yīng)的軌道角動量譜。

附圖標(biāo)記：

1-激光發(fā)生器；2-計算機(jī)；10-非相干熱光束；BS-非偏振分束器；11-樣本光束；12-探測光束；SLM₁-第一空間光調(diào)制器；SLM₂-第二空間光調(diào)制器；Q₁-第一鏡頭；Q₂-第二鏡頭；APD₁-第一單光子探測器；APD₂-第二單光子探測器；P₁-第一光闌；P₂-第二光闌；P₃-第三光闌；L₁-第一雙凸透鏡；L₂-第二雙凸透鏡；L₃-第三雙凸透鏡；L₄-第四雙凸透鏡；SMF-單模光釬；DMD-數(shù)字微鏡面。

具體實施方式

下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，術(shù)語“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。此外，術(shù)語“第一”、“第二”、“第三”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“安裝”、“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機(jī)械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內(nèi)部的連通。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以具體情況理解上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。

下面結(jié)合具體的實施方式對本發(fā)明做進(jìn)一步的解釋說明。

實施例1

如圖1-2所示，本實施例提供的一種熱光非定域角雙縫干涉系統(tǒng)，其包括光路上依次設(shè)置的熱光源、非偏振分束器BS、空間光調(diào)制器、單光子探測器和計算機(jī)2；

熱光源用于發(fā)出非相干熱光束10；

非相干熱光束10通過非偏振分束器BS按照光強(qiáng)均分為樣本光束11和探測光束12；

樣本光束11的光路為樣本光路，

探測光束12的光路為探測光路；

樣本光路與探測光路上的元器件對稱設(shè)置；

空間光調(diào)制器用于改變光子的軌道角動量；單光子探測器用于收集光信號；

空間光調(diào)制器包括樣本光路和探測光路上對稱設(shè)置的第一空間光調(diào)制器SLM₁和第二空間光調(diào)制器SLM₂；

單光子探測器包括樣本光路和探測光路上對稱設(shè)置的第一單光子探測器APD₁和第二單光子探測器APD₂；

第一單光子探測器APD₁和第二單光子探測器APD₂與計算機(jī)2連接，計算機(jī)2同步采集樣本光束11和探測光束12的光信號，并對樣本光束11和探測光束12的光子進(jìn)行關(guān)聯(lián)測量。

第一單光子探測器APD₁和第二單光子探測器APD₂與計算機(jī)2主板上的采集卡連接。

其中，熱光源包括激光發(fā)生器1和數(shù)字微鏡面DMD，自激光發(fā)生器1發(fā)出的激光束照射數(shù)字微鏡面DMD產(chǎn)生空間相位隨機(jī)分布的非相干熱光束。

其中，數(shù)字微鏡面DMD與非偏振分束器BS之間的光路上設(shè)置有只讓一級光譜通過的第一光闌P₁。

數(shù)字微鏡面DMD與第一光闌P₁之間設(shè)置有第一雙凸透鏡L₁，第一光闌P₁設(shè)置在第一雙凸透鏡L₁的焦距上。

在非偏振分束器BS與第一光闌P₁之間設(shè)置有第二雙凸透鏡L₂。

第一單光子探測器APD₁包括通過單模光釬SMF連接的第一鏡頭Q₁，第一鏡頭Q₁設(shè)置在樣本光路末端，用于接收樣本光束11的信號；

第二單光子探測器APD₂包括通過單模光釬SMF連接的第二鏡頭Q₂，第二鏡頭Q₂設(shè)置在探測光路末端，用于接收探測光束12的信號。

樣本光路上，第一鏡頭Q₁和第一空間光調(diào)制器SLM₁之間設(shè)置有第三雙凸透鏡L₃、以及只讓一級光譜通過的第二光闌P₂。

探測光路上，第二鏡頭Q₂和第二空間光調(diào)制器SLM₂之間設(shè)置有第四雙凸透鏡L₄、以及只讓一級光譜通過的第三光闌P₃。

第一空間光調(diào)制器SLM₁和第二空間光調(diào)制器SLM₂與計算機(jī)2連接，計算機(jī)2用于通過第一空間光調(diào)制器SLM₁向樣本光束11加載檢測樣本T₁的叉型圖。

計算機(jī)2用于通過第二空間光調(diào)制器SLM₂向探測光束12加載被探測物T₂的叉型圖。

檢測樣本T₁和被探測物T₂為角向的振幅型透射物體。而檢測樣本T₁和被探測物T₂由計算機(jī)2程序模擬生成。

計算機(jī)通過第一單光子探測器APD₁和第二單光子探測器APD₂同步采集樣本光束11和探測光束12的光信號的光場強(qiáng)度信息，將光場強(qiáng)度信息帶入如下公式進(jìn)行關(guān)聯(lián)測量，最終獲得角雙縫所對應(yīng)的軌道角動量譜。

通過分別關(guān)聯(lián)測量獲得檢測樣本T₁和被探測物T₂的角雙縫所對應(yīng)的軌道角動量譜，比較兩個軌道角動量譜圖，當(dāng)兩者相同時，檢測樣本T₁和被探測物T₂相同。

其中，計算機(jī)中存儲有多個檢測樣品的樣品圖庫，檢測時可以不斷調(diào)換檢測樣品，獲得不同檢測樣本T₁的角雙縫所對應(yīng)的軌道角動量譜，直到兩個圖譜相同。

本發(fā)明利用非相干熱光源，首次實現(xiàn)了利用軌道角動量域的關(guān)聯(lián)特性的角雙縫干涉圖譜，通過對比檢測樣本和被探測物的圖譜來辨別被探測物，該方法降低了對光源相干性的要求，從而拓展了其應(yīng)用范圍，且光路不需要直接照射被探測物，實現(xiàn)了對被探測物的非定域探測。

實施例2

本實施例提供了一種采用上述熱光源非定域物體辨別系統(tǒng)的熱光源非定域物體辨別方法，其包括如下步驟：

S1.非相干熱光束均分為樣本光束11和探測光束12；

S2.樣本光束11和探測光束12分別通過樣本光路和探測光路，其中，樣本光路和探測光路對稱設(shè)置；

S3.在探測光路上加載被探測物的叉型圖，在樣本光路上不加載任何物體；

探測光束12的軌道角動量不變，改變樣本光束11的軌道角動量，對樣本光束11和探測光束12進(jìn)行軌道角動量的關(guān)聯(lián)測量，利用熱光源的二階關(guān)聯(lián)特性，獲得被探測物的角雙縫所對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)軌道角動量譜；

S4.在樣本光路加載不同檢測樣本的叉型圖，在探測光路上繼續(xù)加載被探測物的叉型圖；

探測光束12的軌道角動量不變，再次改變樣本光束11的軌道角動量，對樣本光束11和探測光束12進(jìn)行軌道角動量的關(guān)聯(lián)測量，利用熱光源的二階關(guān)聯(lián)特性，獲得不同檢測樣本的角雙縫所對應(yīng)的樣本軌道角動量譜；

S5.對比標(biāo)準(zhǔn)軌道角動量譜和樣本軌道角動量譜，當(dāng)兩者一致時，被探測物與該檢測樣本相同。

樣本光路和探測光路上對稱設(shè)置有第一空間光調(diào)制器SLM₁和第二空間光調(diào)制器SLM₂，第一空間光調(diào)制器SLM₁和第二空間光調(diào)制器SLM₂用于分別向樣本光束11或探測光束12加載檢測樣本或者被探測物的叉型圖，實現(xiàn)向樣本光路或探測光路加載軌道角動量值。代表不同角動量值的叉型圖由計算機(jī)程序生成。

非相干熱光束為一級衍射光譜；或者，非相干熱光束在均分為樣本光束11和探測光束12前，利用光闌過濾只保留一級衍射光譜。

步驟S3中，同步采集樣本光束11和探測光束12的光信號，以實現(xiàn)軌道角動量的關(guān)聯(lián)測量。通過控制信號采集的時間窗口，以保持樣本光路和探測光路的光子采集同步。

樣本光束11和探測光束12進(jìn)行軌道角動量的關(guān)聯(lián)測量時，需滿足如下公式：

其中，G⁽²⁾為代表軌道角動量的二階關(guān)聯(lián)函數(shù)；

l₁為樣本光路中的軌道角動量值；

l₂為探測光路中的軌道角動量值；

I₁為樣本光路中單光子探測器測量的光強(qiáng)值；

I₂為探測光路中單光子探測器測量的光強(qiáng)值；

為樣本光路末端單光子探測器探測面的光場分布函數(shù)；

為探測光路末端單光子探測器探測面的光場分布函數(shù)；

ΔG為熱光軌道角動量的漲落關(guān)聯(lián)函數(shù)。

其中，計算機(jī)中設(shè)置有存儲有多個檢測樣品的樣品圖庫，

如圖2所示，為單獨將被探測物T₂放入熱光源非定域物體辨別系統(tǒng)中的探測光路，樣本光路中無檢測樣本，通過關(guān)聯(lián)測量，即探測光路中的軌道角動量值固定不變，樣本光路中的軌道角動量值從-7到+7掃描，得到的被探測物T₂的角雙縫所對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)軌道角動量譜；

而圖3-7為在熱光源非定域物體辨別系統(tǒng)中探測光路中放入被探測物T₂，樣本光路中放入不同的檢測樣本T₁后，熱光源非定域物體辨別系統(tǒng)通過關(guān)聯(lián)測量，即探測光路中的軌道角動量值固定不變，樣本光路中的軌道角動量值從-7到+7掃描，得到的不同檢測樣本T₁的角雙縫所對應(yīng)的樣本軌道角動量譜。

由圖可以看出，只有當(dāng)被探測物T₂和檢測樣本T₁的叉型圖一致時，兩者所對應(yīng)的軌道角動量譜圖才相同，通過該比較方法可以獲知被探測物T₂的圖像信息。

最后應(yīng)說明的是：以上各實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分或者全部技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實施例技術(shù)方案的范圍。