專利名稱：單光子探測器量子效率的絕對自身標定方法及其專用裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種不依賴于額外計量標準的單光子探測器量子效率的標定方法，尤指一種單光子探測器量子效率的絕對自身標定方法及其專用裝置。
kp＝ks+ki(2)其中ω和k分別是光子頻率和波矢，下標p，s，i分別對應于泵浦光(pump)和參量下轉換產生的一對光子，即信號光(signal)和閑置光(idler)。由于(1)式所蘊涵的制約關系，當知道了泵浦光和任一出射光的信息后，就可以知道另一出射光的有關信息。由此發展起來的典型的絕對標定的裝置如附圖2，探測器A和探測器B用來分別捕獲泵浦激光在非線性晶體中發生參量下轉換過程所產生的一對光子。探測器B可以作為觸發探測器，它的讀數表明了一個閑置光子的存在，計數率設為NB。由于參量光子是成對產生的，因此在探測器A處必定也有一個信號光子(A也可以稱為共軛探測器)，對于每一次被探測器B探測到的事件，通過符合電路來檢測探測器A是否探測到相應的事件，符合計數率設為NC。因此可以推出，探測器A的量子效率ηA就等于符合計數率NC與探測器B的計數率NB之比率，即ηA＝NC/NB(3)由上式可以看出，探測器A的量子效率的測定與探測器B的量子效率無關，也不需要任何其他的參考標準，所以這是一種絕對的標定方法。但是，從上面也可以看出，這種方法必須要兩個探測器才能實現對一個探測器的量子效率的標定，因而在一定程度上限制了其應用面。
A.Czitrovszky，A.Sergienko等2000年在《Metrologia》第37卷第617-620頁上發表的文章“Measurement of Quantum Efficiency Using Correlated Photon Pairsand a Single-Detector Technique”中提出了只需要一個探測器的絕對標定其量子效率的方案，但是該方案有兩個缺陷。其一，要求探測器能夠分辨是一個光子還是兩個光子到達探測器光敏表面，這樣該方法就只能適用于光電倍增管，不能應用于雪崩二極管單光子探測器(而這種類型的探測器的優勢是波長范圍可到近紅外且量子效率高)，何況即使是對于光電倍增管，這一要求也是過分接近理想情況而很難達到。其二，他們的方法實際上是用光子流(photon flux)的概念代替前面討論的絕對標定方法中的(在某一時間段內的)光子數(photonnumber)，從而用探測器在不同時間內分別對信號光子和閑置光子的響應，應用到類似上述絕對標定的計算中去。這種替代法測量的不是真正的信號光子和閑置光子的一一對應，忽視了泵浦激光源以及參量下轉換過程穩定性的影響，因而本質上已經不再是一種絕對的標定方法了。
因此，需要這樣一種方法，該方法只使用一個探測器即可實現對其自身量子效率的絕對標定，且能夠最大范圍地應用于各種類型的單光子探測器。

發明內容
本發明的目的是為了解決現有技術的缺點而提供一種只使用一個探測器即可實現對其自身量子效率的絕對標定，且能夠最大范圍適用于各種類型的單光子探測器的單光子探測器量子效率的絕對自身標定方法。
本發明的目的還在于提供一種只使用一個探測器即可實現對其自身量子效率的絕對標定，且能夠最大范圍適用于各種類型的單光子探測器的單光子探測器量子效率的絕對自身標定裝置。
本發明的目的可通過如下措施來實現一種單光子探測器量子效率的絕對自身標定方法，包括下述步驟(i)由激光器產生泵浦激光經非線性晶體簡并參量下轉換產生波長相同的信號、閑置參量光子對；(ii)由反射鏡反射掉剩余的泵浦激光而保留參量光；然后由一偏振分束器將簡并的參量光分成兩個支路，其中一路設為信號光路o，一路設為閑置光路e；(iii)選擇上述信號光路o和閑置光路e中的任一支路光進行光延時Δt，然后將兩個支路光束由另一偏振分束器合并為同一光路進入單光子探測器；(iv)由單光子探測器以量子效率η對先后到達的光子做出響應并產生一負脈沖電信號；(v)將負脈沖電信號分成三路，其中一路直接進行計數得到一總的光子計數率NA，NA＝2N·η；另一路對脈沖信號進行一與光路延時相同的Δt電路延時，將經過電路延時的脈沖與第三路脈沖信號由符合電路符合后，進行計數得到符合計數率NC，NC＝N·η·η；(vi)根據計數率NA和NC可得出η＝2NC/NA，從而實現了單光子探測器的量子效率的絕對自身標定。
所述的激光器產生的激光入射到一非線性晶體中，經過參量下轉換過程產生兩束參量光，參量過程最好選擇II型相位匹配。
所述的延時光路由兩個偏振分束器和兩反射鏡組成，其中一反射鏡的反射光為另一反射鏡的入射光。
所述的光延時Δt大于符合電路時間窗口而小于等于非線性晶體中產生兩對參量光子的時間間隔。
另在光路中用反射鏡和干涉濾光片，分別濾掉泵浦激光及雜散光。
所述的符合電路為一邏輯與電路。
本發明的目的還可通過如下措施來實現一種單光子探測器量子效率的絕對自身標定裝置，包括激光器、非線性晶體和單光子探測器；在非線性晶體的參量光光路上設反射鏡，反射鏡將用于產生參量下轉換光子對的泵浦激光反射掉，然后在反射鏡的透射光路上設置偏振分束器，根據偏振態將參量光分成兩個支路，在其中一條光路上設延時光路，再將這兩支光路由另一個偏振分束器合并，經過偏振分束器的出射光傳播至單光子探測器；單光子探測器對先后到達其光敏面上的光子產生脈沖電信號，該脈沖信號分為三路，其中一路直接與計數電路相連進行總計數，另一路對脈沖信號由延時電路進行與光延時相同的延時，將延時后的脈沖信號與第三路脈沖信號輸入符合電路，經符合后輸出信號與計數電路相連進行計數，根據兩個計數率即可得出單光子探測器量子效率的絕對自身標定值。
所述的激光器產生的激光入射到一非線性晶體中，產生兩束參量下轉換光。
所述的延時光路由兩個偏振分束器和兩反射鏡組成，其中一平面鏡的反射光為另一平面鏡的入射光。
另在光路中用反射鏡和干涉濾光片，分別濾掉泵浦激光及雜散光。
所述的符合電路為一邏輯與電路。
本發明的優點在于本發明利用光參量下轉換過程中產生的光子對在時間上的相關性，先將參量光束分為兩路，然后引入相對延時，使同時產生的孿生光子先后進入單光子探測器，然后對探測器之后的電路分為三束，其中一路直接進入計數器得到探測器所探測到的光子的總計數率NA，另兩路用電路方法引入和光路相當的相對延時，經符合電路后進入計數器，得到前后到達探測器的光子對之間的符合計數率NC；這樣，即可在不需要任何其他探測器或者參照標準的情況下，獲得探測器的量子效率，從而實現對單光子探測器量子效率的絕對自身標定。
圖4給出本發明的電路部分的工作原理。圖4(a)是考慮對于探測器依次對先后到達的兩個光子都有了響應的情況，鑒別放大器8輸出相應的前后兩個標準NIM信號(前后時間間隔/Δt)，并且分成三路輸出一路直接輸出到計數器A9，得到計數NA＝2；第二、第三路送到符合電路11，但第三路先經過延時電路10/Δt的電延時，它的兩個NIM信號在時間上同時后移/Δt。這樣相對第二路電信號，形成了如附圖中所示的情況，第三路上的前一個NIM信號和第二路上的后一個NIM信號在時間上重疊。這樣當第二路信號和第三路信號同時進入符合電路11后，就輸出一個標準NIM信號，計數器B 12的計數進一位，得到NC＝1，表示探測器7成功探測到了同時產生的一對參量光子。圖4(b)是考慮探測器7只是對先后到達的兩個光子中的某一個作出了反應，只輸出了一個負脈沖信號，于是放大鑒別器8只輸出一個標準NIM信號的情況。對于第一條支路，計數器計數NA＝1，表征探測器7探測到一個光子。對于第三支路，在其中傳輸的NIM信號相對第二支路中傳輸的NIM信號在時間上有Δt的滯后，于是如圖中所示，兩條電路上沒有在時間上同時出現的脈沖，符合電路11不輸出NIM信號，計數器B12計數不變，NC＝0，表征探測器沒有探測到同時產生的一對光子的全部，而只探測到其中的一個光子。
本發明的電路部分可采用公知電路。
如果探測器對前后到達的兩個光子都沒有響應，計數器A9不會計數，計數器B12當然也不計數。
這樣根據計數A9的計數和計數器B12的計數即可得出量子效率。這樣就實現了一個典型的單光子探測器的量子效率的自絕對標定。
本發明的標定方法如下
本發明所使用的光源最好是II型參量下轉換過程所產生的簡并的即相同波長、同一方向出射的信號、閑置光子對，由泵浦激光通過非線性晶體2如BBO晶體在適當的條件下產生。其光場偏振特性分別為泵浦激光為非尋常(extraodinary)光，信號光為尋常(ordinary)光，閑置光為非尋常光。本發明先將泵浦光完全濾掉，讓參量光完全通過，然后用一個偏振分束器4如格蘭棱鏡將波長簡并的兩束出射光根據其偏振態分成兩個支路，分別設為信號光光路o和閑置光光路e。設單位時間內每束參量光子數為N，利用兩個平面反射鏡5在閑置光光路中設置光延時/Δt，然后利用另一格蘭棱鏡4將兩個光路合并為同一個光路，進入探測器7。探測器7接收到光子以后以某一量子效率η產生光生電流形成負脈沖輸出，經鑒別放大器8后成為標準NIM信號，然后分成三路輸出。第一路直接進入計數器A9，得到總的光子計數率NA＝2N·η (4)其中η為待測探測器的量子效率；第三路通過電路延時芯片得到與光路相同的延時Δt，然后與第二路進行符合計數，得到符合計數NC＝N·η·η (5)于是得到η＝2NC/NA(6)以上參照作為例子給出的、結合


的實施例，更詳細地描述本發明。雖然以上描述涉及到特定波長的泵浦激光，但是本領域的普通技術人員都懂得本發明可以廣泛應用于其他波長的激光，也適用于目前應用的各種單光子探測器。
權利要求
1.一種單光子探測器量子效率的絕對自身標定方法，包括下述步驟(i)由激光器(1)產生泵浦激光經非線性晶體(2)簡并參量下轉換產生波長相同的信號、閑置參量光子對；(ii)由反射鏡(3)反射掉剩余的泵浦激光而保留參量光；然后由一偏振分束器(4)將簡并的參量光分成兩個支路，其中一路設為信號光路o，一路設為閑置光路e；(iii)選擇上述信號光路o和閑置光路e中的任一支路光進行光延時Δt，然后將兩個支路光束由另一偏振分束器(4)合并為同一光路進入單光子探測器(7)；(iv)由單光子探測器(7)以量子效率η對先后到達的光子做出響應并產生一負脈沖電信號；(v)將負脈沖電信號分成三路，其中一路直接進行計數得到一總的光子計數率NA，NA＝2N·η；另一路對脈沖信號進行一與光路延時相同的Δt電路延時，將經過電路延時的脈沖與第三路脈沖信號由符合電路(11)符合后，進行計數得到符合計數率NC，NC＝N·η·η；(vi)根據計數率NA和NC可得出η＝2 NC/NA，從而實現了單光子探測器(7)的量子效率的絕對自身標定。
2.如權利要求1所述的單光子探測器量子效率的絕對自身標定方法，其特征在于由一激光器(1)產生的激光入射到一非線性晶體(2)中，經過參量下轉換過程產生兩束參量光，參量過程最好選擇II型相位匹配。
3.如權利要求1所述的單光子探測器量子效率的絕對自身標定方法，其特征在于所述的延時光路由兩個偏振分束器(4)和兩反射鏡(5)組成，其中一反射鏡(5)的反射光為另一反射鏡(5)的入射光。
4.如權利要求1所述的單光子探測器量子效率的絕對自身標定方法，其特征在于所述的光延時Δt大于符合電路時間窗口而小于等于非線性晶體(2)中產生兩對參量光子的時間間隔。
5.如權利要求1所述的單光子探測器量子效率的絕對自身標定裝置，其特征在于在光路中用反射鏡(3)和干涉濾光片(6)，分別濾掉泵浦激光及雜散光。
6.如權利要求1所述的單光子探測器量子效率的絕對自身標定方法，其特征在于所述的符合電路(11)為一邏輯與電路。
7.一種單光子探測器量子效率的絕對自身標定裝置，包括激光器(1)、非線性晶體(2)和單光子探測器(7)；其特征在于在非線性晶體(2)的參量光光路上設反射鏡(3)，反射鏡(3)將用于產生參量下轉換光子對的泵浦激光反射掉，然后在反射鏡(3)的透射光路上設置偏振分束器(4)，根據偏振態將參量光分成兩個支路，在其中一條光路上設延時光路，再將這兩支光路由另一個偏振分束器(4)合并，經過偏振分束器(4)的出射光傳播至單光子探測器(7)；單光子探測器(7)對先后到達其光敏面上的光子產生脈沖電信號，該脈沖信號分為三路，其中一路直接與計數電路相連進行總計數，另一路對脈沖信號由延時電路進行與光延時相同的延時，將延時后的脈沖信號與第三路脈沖信號輸入符合電路(11)，經符合后輸出信號與計數電路相連進行計數，根據兩個計數率即可得出單光子探測器(7)量子效率的絕對自身標定值。
8.如權利要求7所述的單光子探測器量子效率的絕對自身標定裝置，其特征在于由一激光器(1)產生的激光入射到一非線性晶體(2)中，產生兩束參量下轉換光。
9.如權利要求7所述的單光子探測器量子效率的絕對自身標定裝置，其特征在于所述的延時光路由兩個偏振分束器(4)和兩反射鏡(5)組成，其中一平面鏡(5)的反射光為另一平面鏡(5)的入射光。
10.如權利要求7所述的單光子探測器量子效率的絕對自身標定裝置其特征在于在光路中用反射鏡(3)和干涉濾光片(6)，分別濾掉泵浦激光及雜散光。
11.如權利要求7所述的單光子探測器量子效率的絕對自身標定裝置，其特征在于所述的符合電路(11)為一邏輯與電路。
全文摘要
本發明涉及一種單光子探測器的量子效率絕對自身標定方法及其專用裝置，該方法是利用光參量下轉換過程中產生的光子對在時間上的相關性，先將參量光束分為兩路，然后引入相對延時，使同時產生的孿生光子先后進入單光子探測器，然后對探測器之后的電路分為三路，其中一路直接進入計數器得到探測器所探測到的光子的總計數率N
文檔編號G01J11/00GK1467488SQ02123660
公開日2004年1月14日 申請日期2002年7月8日 優先權日2002年7月8日
發明者吳令安, 常君弢 申請人:中國科學院物理研究所