一种基于多芯光纤的单光子成像装置及方法

本申请涉及光学成像，尤其涉及一种基于多芯光纤的单光子成像装置及方法。

背景技术：

1、超导纳米线单光子探测是一种最新的单光子检测技术，具有暗计数低、探测速度快、响应频谱宽和探测效率高等特点，是当前单光子探测技术研究领域中的研究热点。超导单光子探测技术是近几年提出的一个新型的单光子探测方法，它利用超导纳米线探测器中的非平衡态的热电子效应(non-equilibrium hot electron effect)，来实现对单个光子信号的检测。

2、超导纳米线探测器感应单元的检测区域是由多个串联的超薄膜纳米条构成。超导纳米线探测器使用时，通过光纤将待测单光子光源的一部分光子耦合到检测区域，在没有光子入射检测区域时，超导纳米条处于超导态；单光子被检测到，纳米条上会形成一个短暂的电阻态，这个转变使器件两端形成一个电压脉冲。通过对这个电压脉冲信号的检测就可以实现对单光子的探测。

3、因此，对于光强仅达到单光子级别的弱光图像进行检测成像时，需要多次移动光纤头的位置，根据多次检测到的单光子计数处理获得分布图像。然而这种逐点扫描的检测方式探测速度慢，难以用于动态变化图像的识别。目前，也有采用芯片集成的方式，也即将多个检测区域集成在一个芯片上，以实现对某一区域的单光子图像的同时成像，但单个检测区域体积较大，因而这种方案的空间分辨率低。同时，这需要在芯片上集成多个超导纳米线感应单元及其电信号传输单元，这需要集成纳米线、集成电路等器件加工的突破，加工难度大、成本高。

技术实现思路

1、本申请提供一种基于多芯光纤的单光子成像装置及方法，以此实现同时对多个区域进行单光子探测计数，并生成单光子分布图像，降低成本和制作难度。

2、第一方面，本申请提供一种基于多芯光纤的单光子成像装置，所述单光子成像装置包括：

3、多芯光纤，所述多芯光纤中包括若干根接收纤芯；所述多芯光纤用于接收多个区域入射的单光子级弱光；

4、若干个超导纳米线感应单元，所有所述超导纳米线感应单元均与所述多芯光纤连接；所述超导纳米线感应单元用于探测经由所述多芯光纤耦出的单光子；

5、处理电路，所述处理电路与所有所述超导纳米线感应单元连接；所述处理电路用于探测单光子信号的计数率并生成单光子分布图像。

6、优选的，所述多芯光纤具有信号输入端面和信号输出端面，单光子级弱光由所述多芯光纤的所述信号输入端面耦入所述接收纤芯；

7、每个所述超导纳米线感应单元均与其对应的所述接收纤芯连接；每个所述超导纳米线感应单元用于探测经由与其对应的所述接收纤芯耦出的单光子。

8、优选的，所述超导纳米线感应单元具有第一集合端面和第二集合端面，所述超导纳米线感应单元的第一集合端面与所述多芯光纤的所述信号输出端面连接。

9、优选的，所述处理电路与所述超导纳米线感应单元的第二集合端面连接；

10、所述处理电路还用于：

11、探测每一个所述超导纳米线感应单元中的单光子信号的计数率，并生成所有超导纳米线感应单元中的单光子分布图像。

12、优选的，所述多芯光纤与所述超导纳米线感应单元的连接方式包括采用多芯光纤扇入扇出模块进行连接；

13、所有所述超导纳米线感应单元均设置在真空低温箱中；

14、所述真空低温箱用于保持所有所述超导纳米线感应单元均处在正常工作所需的低温环境下。

15、第二方面，本申请还提供一种基于多芯光纤的单光子成像方法，所述单光子成像方法包括：

16、通过多芯光纤的信号接收端的每个接收纤芯捕获对应区域的单光子；

17、通过所述多芯光纤的每个接收纤芯将接收的单光子传输至对应的超导纳米线感应单元；

18、利用所述超导纳米线感应单元接收和探测单光子信号，并生成电脉冲传输至处理电路；

19、利用所述处理电路运算得到每个超导纳米线感应单元测得的单光子计数率并生成单光子分布结果，并得到单光子分布图像。

20、本申请提供一种基于多芯光纤的单光子成像装置及方法，所述单光子成像装置包括多芯光纤，所述多芯光纤中包括若干根接收纤芯；所述多芯光纤用于接收多个区域入射的单光子级弱光；若干个超导纳米线感应单元，所有所述超导纳米线感应单元均与所述多芯光纤连接；所述超导纳米线感应单元用于探测经由所述多芯光纤耦出的单光子；处理电路，所述处理电路与所有所述超导纳米线感应单元连接；所述处理电路用于探测单光子信号的计数率并生成单光子分布图像。本发明所述的单光子成像装置，其以多芯光纤的端作为单光子光源的检测面，实现了同时对多个区域进行单光子探测计数，并生成单光子分布图像的目的；另外，相较于高度集成芯片的方式，本发明大大降低了工艺要求和设备要求，制作实现的成本更低。

技术特征：

1.一种基于多芯光纤的单光子成像装置，其特征在于，所述单光子成像装置包括:

2.根据权利要求1所述的一种基于多芯光纤的单光子成像装置，其特征在于，所述多芯光纤(1)具有信号输入端面和信号输出端面，单光子级弱光由所述多芯光纤(1)的所述信号输入端面耦入所述接收纤芯；

3.根据权利要求2所述的一种基于多芯光纤的单光子成像装置，其特征在于，所述超导纳米线感应单元(2)具有第一集合端面和第二集合端面，所述超导纳米线感应单元(2)的第一集合端面与所述多芯光纤(1)的所述信号输出端面连接。

4.根据权利要求3所述的一种基于多芯光纤的单光子成像装置，其特征在于，所述处理电路(3)与所述超导纳米线感应单元(2)的第二集合端面连接；

5.根据权利要求1所述的一种基于多芯光纤的单光子成像装置，其特征在于，所述多芯光纤(1)与所述超导纳米线感应单元(2)的连接方式包括采用多芯光纤扇入扇出模块(4)进行连接；

6.一种基于多芯光纤的单光子成像方法，其特征在于，所述单光子成像方法适用于权利要求1至5任意一项所述基于多芯光纤的单光子成像装置，所述单光子成像方法包括：

技术总结
本申请提供一种基于多芯光纤的单光子成像装置及方法，所述单光子成像装置包括多芯光纤，所述多芯光纤中包括若干根接收纤芯；所述多芯光纤用于接收多个区域入射的单光子级弱光；若干个超导纳米线感应单元，所有所述超导纳米线感应单元均与所述多芯光纤连接；所述超导纳米线感应单元用于探测经由所述多芯光纤耦出的单光子；处理电路，所述处理电路与所有所述超导纳米线感应单元连接；所述处理电路用于探测单光子信号的计数率并生成单光子分布图像。本申请通过上述装置及方法实现了同时对多个区域进行单光子探测计数，并生成单光子分布图像的目的；另外，相较于高度集成芯片的方式，本发明大大降低了工艺要求和设备要求，制作实现的成本更低。

技术研发人员：谢臻达,刘华颖,范鹏飞,祝世宁
受保护的技术使用者：南京大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/31