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。
技术实现要素：
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
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。
优选的，在所述步骤s3中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的过程为：
根据所述第一光子数分辨探测器接收的所述第二反射光束中每个脉冲中的光子数数据，求取第一算符
则所述待测样品的偏振旋转角度θ1＝θ-θ2；
其中，
优选的，在所述步骤s4中根据接收到的光子个数计算所述待测样品的相移的过程为：
根据所述第二光子数分辨探测器接收的经干涉后的光束中的光子数数据，求取第二算符
则所述待测样品的相移
其中
上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。
本发明的有益效果在于，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。因此可以在强光下获得超分辨偏振旋光信息及相移信息，能够更好地分析物质成分和测定溶液的浓度，对化学、材料、生物、医学、食品等领域具有重要的意义。
附图说明
图1为本发明所述的光束相移及偏振旋转的同时超分辨测量装置的光路原理示意图；
图2为本发明所述的光束相移及偏振旋转的同时超分辨测量方法的一种实施例的流程图；
图3为本发明所述第一光子数分辨探测器的探测信号仿真曲线图；
图4为本发明所述第二光子数分辨探测器的探测信号仿真曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
如图1所示，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1、偏振片2、第一偏振分光棱镜3、相移器4、偏振旋转器5、第二偏振分光棱镜6、第一光子数分辨探测器7、反射镜8、非偏振分光棱镜9和第二光子数分辨探测器10；
激光器1发射的脉冲激光经偏振片2偏振后被第一偏振分光棱镜3分为第一透射光束和第一反射光束，第一透射光束依次经过待测样品、相移器4和偏振旋转器5，以及经第二偏振分光棱镜6分光分为第二透射光束和第二反射光束，第二透射光束被第一光子数分辨探测器7接收，以探测第二透射光束中包含的光子个数；第一反射光束经反射镜8反射后，与第二反射光束在非偏振分光棱镜9处干涉后，被第二光子数分辨探测器10接收，以探测经干涉后的光束中包含的光子个数。
在本实施例中，激光器1发射的脉冲激光经偏振片2起偏后被第一偏振分光棱镜3分为两束光(即第一透射光束和第一反射光束)，第一反射光束经反射镜8反射后入射至非偏振分光棱镜9；第一透射光束依次经待测样品透射，经相移器4附加一相移
光束相移及偏振旋转的同时超分辨测量装置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。因此可以在强光下获得超分辨偏振旋光信息及相移信息，能够更好地分析物质成分和测定溶液的浓度，对化学、材料、生物、医学、食品等领域具有重要的意义。
在优选的实施例中，偏振片2的偏振方向与竖直方向的夹角为45度，经偏振片2偏振后的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。
在优选的实施例中，待测样品用以在第一透射光束中附加一第一相移
在优选的实施例中，相移器4用以在第一透射光束中进一步附加一第二相移
在优选的实施例中，偏振旋转器5用以将第一透射光束的偏振方向进一步旋转一第二角度θ2。
在优选的实施例中，第一偏振分光棱镜3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。
在优选的实施例中，第二偏振分光棱镜6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。
结合图1和图2所示，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，方法包括下述步骤：
s1.激光器1以固定功率，固定重复频率发射脉冲激光，将第一光子数分辨探测器7移置于偏振片2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.保持激光器1输出功率不变，将第一光子数分辨探测器7放置于第二偏振分光棱镜6后面；
s3.采用第一光子数分辨探测器7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待测样品的偏振旋转角度；
根据接收到的光子个数计算待测样品的偏振旋转角度的过程为：
根据第一光子数分辨探测器7接收的第二反射光束中每个脉冲中的光子数数据，求取第一算符
则待测样品的偏振旋转角度θ1＝θ-θ2；
其中，
连续改变偏振旋转角度θ的大小可以发现
s4.采用第二光子数分辨探测器10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待测样品的相移。
根据接收到的光子个数计算待测样品的相移的过程为：
根据第二光子数分辨探测器10接收的经干涉后的光束中的光子数数据，求取第二算符
则待测样品的相移
其中
改变偏振旋转角度θ及相移
本发明可以用于进行物质成分分析、溶液浓度分析以及分子结构分析等，在食品安全监控、医学器械、生物化学研究等诸多领域有重要应用。通过光束相移及偏振旋转的同时超分辨测量方法可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。因此可以在强光下获得超分辨偏振旋光信息及相移信息，能够更好地分析物质成分和测定溶液的浓度。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。