一种单光子光谱仪及其标定方法和测量方法与流程

本技术属于光谱测量领域，具体而言，涉及一种单光子光谱仪及其标定方法和测量方法。

背景技术：

1、作为光谱分析不可或缺的工具，光谱仪被应用在生物传感、医学分析、气体传感、环境分析、石油勘探及食品质量检测等各方面。传统的高性能光谱仪通常是由分立的光学元件和机械部件构成，体积庞大、结构复杂以及造价昂贵极大限制了其应用范围。随着对光谱仪便携性和稳定性要求越来越高，其小型化和集成化已成趋势。相较于传统的大型光谱仪，小型化的光谱仪成本低、体积小、功耗低，便于现场在线监测，极大地扩展了应用范围。

2、对于量子光学实验中所用的光源为单光子量级，普通的光电探测器无法探测，其量子光源的光谱测量需要低噪声、低衰减、灵敏度至单光子量级的单光子光谱仪。传统的基于棱镜、光栅等空间色散原理的光谱仪可以分为扫描型和光谱图像型。扫描型光谱仪具有运动部件，只需单点探测器，但这种扫描方式对于单光子光谱探测存在衰减大的问题；光谱图像型光谱仪将所有色散光均收集探测，没有衰减大的缺点，但所需要的单光子ccd探测器成本高，且需要液氮冷却以降低噪声，尤其在1550nm附近的红外波段，没有高效率的单光子ccd探测器进行探测。

3、目前被广泛用于自发参量下转换、四波混频等量子光源的光谱测量方法中，其中一种方法是利用色散光纤将不同波长的单光子在时域上分离，并通过单光子探测器和时间数字转换器(tdc)进行探测及时间分辨，根据事先标定的光子波长和光子到达时间的关系，换算出单光子的光谱测量结果，从而实现单光子光谱测量。但是此种方法存在两个问题，第一个是光谱仪在标定过程中需要保证标定光子的输入路径与待测光子的输入路径长度完全一致，否则路径长度的不一致会导致光子到达探测器的时间不同，从而影响光谱测量结果，这一要求导致这种单光子光谱仪的标定过程难度较大，并且当待测光子的产生光路发生变动时需要重新标定，难以实用化；第二个是现有技术中光谱仪的标定需要使用外部标准光源向光谱仪输入不同波长的光子，根据单光子探测器和时间数字计数器的响应，得到光谱仪的波长-时间对应关系，而当工作场景或使用环境(如温度)发生变化时，色散波导的特性发生变化，需要根据工作环境反复多次标定，如果始终携带和使用标准光源，会增加光谱仪的使用成本和复杂度，限制单光子光谱仪的集成化。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本技术提供一种单光子光谱仪及其标定方法和测量方法，通过设置斩波器截取待测光源输出的光脉冲形成斩波脉冲，斩波脉冲通过色散模块展宽后通过路径控制器和光滤波器实现标定过程，采用待测光脉冲进行标定，不需要外部标准光源且保证了标定过程和测量过程光子到达单光子探测器的路径长短完全一致，消除了测量误差，提高了测量精度。其具体方案如下：

2、第一方面，本技术公开了一种单光子光谱仪，包括输入耦合器、斩波器、色散探测模块、时间数字转换器和控制系统；

3、输入耦合器用于将待测光脉冲耦合输入至斩波器，斩波器基于控制系统输出的斩波电信号截取待测光脉冲形成斩波脉冲；

4、色散探测模块包括色散结构、路径控制器、光滤波器、第一输出耦合器、第二输出耦合器、第一单光子探测器和第二单光子探测器；

5、色散结构与斩波器连接，用于对斩波脉冲展宽形成色散展宽脉冲并传输至路径控制器，色散展宽脉冲中不同波长的光子在时域上分开；

6、路径控制器具有输入端、输出上端和输出下端，其输入端与色散结构的输出端连接，其输出上端连接第一输出耦合器，其输出下端连接光滤波器，光滤波器的输出端连接第二输出耦合器，路径控制器用于控制色散展宽脉冲从其一个输出端输出或按比例同时从两个输出端输出；光滤波器基于控制系统的调节对从路径控制器输出下端输出的色散展宽脉冲进行滤波使特定波长的光子通过；第一输出耦合器用于将从路径控制器输出上端输出的色散展宽脉冲耦合出射至第一单光子探测器；第二输出耦合器用于将从光滤波器输出的色散展宽脉冲耦合出射至第二单光子探测器；

7、第一单光子探测器与第一输出耦合器连接，第二单光子探测器与第二输出耦合器连接，且第一单光子探测器和第二单光子探测器均与时间数字转换器连接；第一单光子探测器和第二单光子探测器均用于将接收的色散展宽脉冲中不同波长的光子信号转换为相应的电信号并获取光子计数同时将转换的电信号传输给时间数字转换器以及将光子计数反馈给控制系统；

8、控制系统分别与斩波器、光滤波器、时间数字转换器、第一单光子探测器和第二单光子探测器连接，用于调节光滤波器的中心波长和周期性输出斩波电信号并将斩波电信号同时传输给斩波器和时间数字转换器以及对第一单光子探测器反馈的光子计数累计计算；

9、时间数字转换器用于记录控制系统输出斩波电信号的时间和不同波长的光子信号转换为相应电信号的时间并计算时间间隔，同时将各时间间隔反馈给控制系统。

10、优选地，斩波器为mz i型光开关，由第一50:50分束器、干涉上臂、干涉下臂、相位调制器和第二50:50分束器组成，相位调制器设置于干涉上臂或干涉下臂上，相位调制器基于控制系统的调制调节输入光脉冲的相位，干涉上臂的两端分别连接第一分束器的输出上端和第二分束器的输入上端，干涉下臂的两端分别连接第一分束器的输出下端和第二分束器的输入下端。

11、进一步地，第二50:50分束器的输出上端和输出下端分别连接一个色散探测模块，且两个色散探测模块中色散结构的色散系数不同，通过调节相位调制器使斩波脉冲从第二50:50分束器的输出上端传输至与之连接的色散探测模块或从第二50:50分束器的输出下端输出至另一个色散探测模块。

12、优选地，色散结构为色散波导或色散光纤。

13、优选地，光滤波器为硅基波导光栅的可调谐滤波器。

14、优选地，路径控制器为分束器或光开关。

15、进一步地，控制系统包括基于fpga的信号发生器。

16、进一步地，第一单光子探测器和第二单光子探测器均工作于自由运行模式，对输入的不同波长的光子持续探测。

17、第二方面，本技术公开了一种单光子光谱仪的标定方法，所述标定方法应用于上述的单光子光谱仪，单光子光谱仪包括输入耦合器、斩波器、色散探测模块、时间数字转换器和控制系统，色散探测模块包括色散结构、路径控制器、光滤波器、第一输出耦合器、第二输出耦合器、第一单光子探测器和第二单光子探测器；所述标定方法包括：

18、控制系统周期性输出斩波电信号并将斩波电信号同时传输给斩波器和时间数字转换器，以及调节光滤波器的中心波长使特定波长的光子通过；

19、斩波器基于控制系统输出的斩波电信号截取待测光脉冲形成斩波脉冲；

20、色散结构对斩波脉冲展宽形成色散展宽脉冲并传输至路径控制器，色散展宽脉冲中不同波长的光子在时域上分开；

21、路径控制器控制色散展宽脉冲从其输出下端输出或按比例同时从其两个输出端输出；

22、光滤波器接收从路径控制器输出下端输出的色散展宽脉冲并基于控制系统的调节对色散展宽脉冲进行滤波使特定波长的光子通过；

23、从光滤波器输出的特定波长的光子通过第二输出耦合器耦合出射至第二单光子探测器；

24、第二单光子探测器将接收的色散展宽脉冲中特定波长的光子信号转换为相应的电信号同时将转换的电信号传输给时间数字转换器；

25、时间数字转换器记录控制系统输出斩波电信号的时间和特定波长的光子信号转换为相应电信号的时间并计算时间间隔；

26、通过控制系统再次调节光滤波器的中心波长，重复上述步骤，光滤波器使另一特定波长的光子通过，时间数字转换器再次记录此特定波长的光子从斩波器到达第二单光子探测器的时间；以此类推，至少完成两次对光滤波器中心波长的调节；

27、控制系统根据不同波长的光子从斩波器到达第二单光子探测器的时间不同，拟合出波长与时间的对应关系，完成标定过程。

28、第三方面，本技术公开了一种单光子光谱仪的测量方法，所述测量方法应用于上述的单光子光谱仪，单光子光谱仪包括输入耦合器、斩波器、色散探测模块、时间数字转换器和控制系统，色散探测模块包括色散结构、路径控制器、光滤波器、第一输出耦合器、第二输出耦合器、第一单光子探测器和第二单光子探测器；所述测量方法包括：

29、控制系统周期性输出斩波电信号并将斩波电信号同时传输给斩波器和时间数字转换器；

30、斩波器基于控制系统输出的斩波电信号截取待测光脉冲形成斩波脉冲；

31、色散结构对斩波脉冲展宽形成色散展宽脉冲并传输至路径控制器，色散展宽脉冲中不同波长的光子在时域上分开；

32、路径控制器控制色散展宽脉冲从其输出上端输出或按比例同时从其两个输出端输出；

33、从路径控制器输出上端输出的色散展宽脉冲通过第一输出耦合器耦合出射至第一单光子探测器；

34、第一单光子探测器将接收的色散展宽脉冲中不同波长的光子信号转换为相应的电信号并获取光子计数同时将转换的电信号传输给时间数字转换器以及将光子计数反馈给控制系统；

35、时间数字转换器记录控制系统输出斩波电信号的时间和不同波长的光子信号转换为相应电信号的时间并计算不同波长的光子对应的时间间隔；

36、以此类推，对待测光脉冲进行多个周期的斩波和测量后，控制系统统计在同一时间间隔下的光子累计数，获取在同一时间间隔下的光强，根据由标定过程获取的波长与时间的对应关系即获得波长与光强的对应关系，完成光谱测量。

37、总体而言，通过本技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

38、本技术提供了一种单光子光谱仪及其标定方法和测量方法，单光子光谱仪包括输入耦合器、斩波器、色散探测模块、时间数字转换器和控制系统，色散探测模块包括色散结构、路径控制器、光滤波器、第一输出耦合器、第二输出耦合器、第一单光子探测器和第二单光子探测器；通过设置斩波器截取待测光脉冲形成斩波脉冲，斩波脉冲通过色散结构展宽后通过路径控制器和光滤波器实现标定过程，采用待测光脉冲进行标定，保证了标定过程和测量过程光子到达单光子探测器的路径长度完全一致，消除了因标准光和待测光传输路径不一致带来的测量误差，提高了测量精度；在路径控制器的输出下端连接光滤波器，以待测光脉冲进行标定，通过至少两次调节光滤波器的中心波长，获取不同波长的光子从斩波器到单光子探测器的时间，得到待测光脉冲的波长与时间的对应关系，在无需外部标准光源只利用待测光脉冲的情况下即可实现光谱仪的实时自标定，降低了单光子光谱仪的使用成本，提高了单光子光谱仪的使用便携性和测量稳定性；完成标定进行测量时，路径控制器调节斩波脉冲的输出路径，通过对待测光脉冲进行多个周期的斩波和色散展宽，获取在同一时间间隔下的光子累计数，基于待测光脉冲波长与时间的对应关系获取波长与光强的对应关系，完成光谱测量。