第10章相干探测

量子相干态的产生与测量量子力学是研究微观世界的基本理论，它描述了微观粒子的行为和性质。

在量子力学中，相干态是一种特殊的量子态，它具有相对相位的确定性，可以在干涉实验中观察到明显的干涉效应。

相干态的产生和测量是量子信息科学中的重要课题，对于实现量子计算和量子通信具有重要意义。

相干态的产生可以通过多种方法实现，其中最常见的方法是利用光的干涉。

在实验室中，可以使用激光器产生相干光源，然后通过光学器件进行干涉操作，得到所需的相干态。

例如，通过将激光器的输出分为两束光，然后经过一系列的反射和透射，可以得到两束相干光。

这种方法可以产生高质量的相干态，被广泛应用于量子计算和量子通信实验中。

除了光的干涉，还可以利用原子的相互作用来产生相干态。

在冷原子实验中，可以通过调控原子之间的相互作用，实现原子的集体行为，从而产生相干态。

例如，可以通过激光冷却和磁光陷阱技术将原子冷却到极低的温度，然后利用原子之间的相互作用产生相干态。

这种方法可以产生大量的相干态，对于研究原子的量子行为具有重要意义。

相干态的测量是判断相干态是否存在以及测量相干态的性质的关键步骤。

在实验中，可以使用干涉仪进行相干态的测量。

干涉仪是一种可以将光进行干涉操作的光学器件，它由分束器、反射镜和探测器组成。

当相干光通过干涉仪时，会在探测器上产生干涉图样，通过测量干涉图样的强度分布和相位分布，可以得到相干态的信息。

除了干涉仪，还可以使用量子测量器进行相干态的测量。

量子测量器是一种可以测量量子态的性质的器件，它可以测量量子态的幅度、相位和纠缠等信息。

在实验中，可以使用超导量子比特作为量子测量器，通过调控量子比特之间的相互作用，实现对相干态的测量。

这种方法可以实现高精度的相干态测量，对于研究量子信息的基本原理具有重要意义。

总之，相干态的产生与测量是量子信息科学中的重要课题。

通过光的干涉和原子的相互作用，可以产生高质量的相干态。

通过干涉仪和量子测量器，可以测量相干态的性质。

直接探测和相干探测概述直接探测和相干探测是两种常用的信号探测方法。

直接探测是通过直接测量信号的幅度或频率来判断信号的存在与否，而相干探测则是通过与参考信号进行干扰相消来提高探测性能。

本文将对这两种探测方法进行详细介绍，并对它们的优缺点进行讨论。

直接探测直接探测是一种简单直接的信号探测方法。

在直接探测中，我们直接测量信号的幅度或频率，并将其与一个预设的阈值进行比较。

如果信号的幅度或频率超过了阈值，则判定信号存在；否则，判定信号不存在。

直接探测在实际应用中非常常见，例如在无线通信中，接收机常常通过测量信号的功率来判断信道的质量。

另外，在雷达系统中，也可以使用直接探测来探测目标的存在。

然而，直接探测方法存在一些缺点。

首先，它对噪声非常敏感，噪声的存在往往会导致误判。

其次，直接探测方法通常无法提供对信号的相位信息的判断，这在某些应用中可能是十分重要的。

相干探测相干探测是一种基于相干性原理的信号探测方法。

在相干探测中，我们通过将接收到的信号与一个已知的参考信号进行干扰相消，从而提高探测性能。

相干探测的核心思想是利用干扰相消来减小噪声的影响，并提高信号与噪声之间的信噪比。

通过与参考信号进行相关运算，我们可以将信号的相位信息从噪声中提取出来，从而实现对信号的更准确的判断。

相干探测在很多应用中被广泛使用。

在通信系统中，相干解调可以大大提高接收机的性能。

在雷达系统中，相干处理可以提供目标的精确距离和速度信息。

然而，相干探测方法也存在一些限制。

首先，相干探测方法通常需要事先获得参考信号，这对于某些应用来说可能是十分困难的。

其次，对于复杂的信号，相干探测可能需要耗费大量的计算资源。

优缺点比较直接探测和相干探测具有不同的优缺点。

直接探测方法简单直接，适用于一些简单的探测问题。

然而，直接探测方法对噪声非常敏感，且无法提供对信号相位的判断。

相比之下，相干探测方法可以通过干扰相消来减小噪声的影响，并提高探测性能。

相干探测还可以提供对信号的相位信息的判断，这对于一些需要精确测量的应用非常重要。

研究快讯利用空气来探测脉冲太赫兹波戴建明 谢　旭 张希成(美国伦斯勒理工学院太赫兹研究中心　纽约州特洛伊　12180)摘　要 曾有报道利用飞秒激光脉冲通过空气中的三阶光学非线性过程产生高强度的太赫兹波.理论上,作为太赫兹波产生的逆过程,有可能实现用空气作为介质探测脉冲太赫兹波.作者以空气或激光诱导的空气等离子体作为介质,通过测量太赫兹波场诱导产生的二次谐波信号,首次实现了宽带太赫兹波的时间分辨探测.本文介绍了空气中太赫兹波的非相干和相干探测的实验结果和理论分析.迄今为止,这种具有突破意义的太赫兹波空气电离相干探测法(THz 2ABCD )的频谱宽度可以超过8THz,实现动态范围可达30d B.关键词 太赫兹波,空气/空气等离子体,三阶非线性光学过程,相干探测,本地振荡器Sensi n g pulsed THz waves with am bi ent a i rDA I J ian 2M ing X I E Xu ZHANG X .-C .(Center for Terahertz Research,R ensselaer Polytechnic Institute,Troy,N Y 12180,USA )Abstract U sing air with fem t osecond laser beam s to generate pulsed THz waves thr ough third -order nonlinear op tical p rocesses has already been demonstrated .A s its recip r ocal p r ocess,in theory,it should be possible to use air as the sensor t o detect pulsed THz waves .W e report the first demonstrati on of ti me -res olved detection of broadband THz waves by measuring the THz field -induced second -har monic signal in ambient air and /or ion 2ized air (laser -induced air p las ma ).Experi mental results and a theoretical analysis of incoherent and coherent detecti on are p resented .A s pectr oscop ic bandwidth of over 8THz was observed for the air -breakdown coherent -detecti on system.The highest dynam ic range demonstrated with an air sens or was 30dB.Keywords THz waves,ambient air/air p las ma,third -order nonlinear op tical p r ocesses,coherent detection,l ocal oscillat or2006-10-18收到初稿,2006-12-10收到修改稿　通讯联系人.Email:zhangxc@r p i .edu1　引言太赫兹波,如同电磁波频谱中与之相邻的红外和微波一样,能够发掘全新成像和探测等方面的技术,从而实现在材料特性、微电子、医学诊断、环境监控、化工和生物识别等诸多方面的应用[1,2],太赫兹科学和技术的最新进展已经使之成为21世纪在探测和成像领域及其他交叉领域中最有前途的研究方向之一[3—8].在时域太赫兹光谱学领域,普遍采用的方法是利用光导偶极天线和电光晶体来发射和探测脉冲太赫兹波.我们首次报道了利用空气来同时产生和探测宽带太赫兹波[9].作为地球上普遍存在的物质,在利用飞秒激光束产生和探测脉冲太赫兹波方面,空气呈现了其卓越的性能.空气,尤其是电离空气(等离子体),借助于激光诱导的有质动力[10,11]和三阶非线性光学过程[12—16],已经被用来产生超强太赫兹波.作为此非线性效应的逆过程,我们用空气作为探测介质,实现了脉冲太赫兹波的探测,该研究成果为在复杂的天气状态下远距离探测太赫兹波提供了可能性.2　实验方法、结果及理论分析在实验上,我们以输出中心波长为800nm 、重复频率为1kHz 、单脉冲能量约为900μJ 、脉冲宽度为120fs 激光脉冲的台式掺钛蓝宝石再生放大器作为激光源.输出光束被一宽带光学分束器分为两束.其中的一束激光被用来产生太赫兹波,而另一束激光被用来探测太赫兹波.图1是用空气作为发射器和探测器来产生和探测太赫兹波的全光学过程的示意图.首先,让用以产生太赫兹波的800n m 基频光(ω)通过100μm 厚、属于I 类相匹配的BBO 倍频晶体,其中剩余的基频光(ω)和所产生的二次谐波(2ω)在空气中聚焦,并产生空气等离子体,通过三阶非线性四波混频光学过程,产生一个具有高强度和高度方向性的宽带太赫兹波[12—16].当总的抽运光脉冲能量高于空气中等离子体形成的阈值时,所产生的太赫兹波的电场强度分别与ω基频光束的脉冲能量及2ω二次谐波光束脉冲能量的平方根成正比[16].当所有相关的波(ω,2ω,和太赫兹波)具有相同的偏振时就能得到太赫兹波产生的最佳转换效率.图1　实验装置示意图(在第一个空气等离子体中,通过基频光(800nm )和它的二次谐波(通过BBO 晶体产生)的混频过程产生太赫兹波,第一个抛物面反射镜用于准直太赫兹波束,高阻抗的硅片用于阻挡剩余的800nm 和400nm 光.第二个抛物面反射镜用来聚焦准直后的太赫兹波束.用一个半波片来控制探测光束的偏振方向;在第二个空气等离子体中,通过混合探测光和太赫兹波场所产生的二次谐波信号来探测太赫兹波)与在电光晶体中通过二阶光学非线性产生和探测太赫兹波的对应过程相类似[17],我们也可以用产生太赫兹波的三阶光学非线性过程的逆过程来探测太赫兹波.利用三阶非线性光学过程来探测太赫兹波有多种方式,其中包括测量由太赫兹波引起的探测光束的偏振变化,以及测量由空气中太赫兹波和光学探测光束相互作用而产生的二次谐波等.前者需要两路探测光束:一束为基频,另一束为二次谐波频率;而第二种探测方式由于所探测的光信号频率不同于探测脉冲本身的频率,因而可以避免背景光的干扰,从而能探测到很弱的信号.已有报道在固体材料[18]和液体材料[19]中用这种方法来探测太赫兹波,这个过程也可称为太赫兹场诱导二次谐波.在具体的实验中,我们用一对90度离轴抛物面反射镜分别对所产生的太赫兹波进行准直和重新聚焦,并在第二个抛物面反射镜上打了一个小孔以使探测光束通过.为了用空气作为介质来探测太赫兹波,太赫兹波和探测光束应被聚焦在同一点.太赫兹波和探测光束的焦斑直径分别大约为800μm 和20μm.用光电二极管或光电倍增管探测在光束焦斑(空气等离子体)处太赫兹场诱导的二次谐波光强度信号.图2是通过改变太赫兹和探测光脉冲之间的时间延迟所记录下来的太赫兹场诱导二次谐波强度信号I 2ω的时间波形.为了消除空气中水蒸气对太赫兹波的吸收,此时整个太赫兹系统被充以氮气.通过此三阶光学过程利用空气等离子体测量到的波形和通过二阶光学过程用ZnTe 晶体测到的波形是大致相同.因而我们认为这种探测方法具有相干探测的特征(即可以同时得到太赫兹波的振幅和相位信息).由图2中的插图我们看到,用空气探测到的太赫兹波形经离散点傅里叶变换所得到的频谱能延伸到8THz 以上,并只受激光脉冲宽度的限制.图3显示了用这种全空气太赫兹时域光谱分析系统测量到的水蒸气吸收线,证明了此系统在太赫兹光谱范围具有宽带探测的能力.从数学上讲,作为四波光学整流的逆过程,太赫兹波场诱导产生二次谐波信号(THz 2field 2in 2duced second 2har monic,TF I SH )的物理过程可以表达成如下形式:E signal2ω∝χ(3)E ωE ωE THz ,(1)其中E signal2ω是太赫兹波场诱导产生二次谐波信号的电场分量,χ(3)是空气(或电离空气)的三阶非线性极化系数,E 表示与光场或者太赫兹波场有关的电场分量.从(1)式可以看出,在通常情况下,由于测量到的二次谐波信号(探测器只能探测二次谐波的强度)只与太赫兹波的强度成比例,所以测量太赫兹场诱导二次谐波似乎并不能提供对太赫兹波的相研究快讯图2　用空气作为探测介质测量到的太赫兹波的脉冲波形及将该波形作离散点傅里叶变换所得到的频谱图(见插图)图3　用图1所示的全光学全空气太赫兹系统测量空气中的水蒸气在太赫兹波段的吸收时进行相对测量所得到的特征吸收线干测量.因此,所测量到的信号就会失去被测量太赫兹脉冲的相位信息.然而,若引入一个与探测光束的二次谐波波长(即400n m )一样的背景信号作为本地振荡器(l ocal oscillat or ),就可以实现太赫兹波的相干测量.在我们的实验中,该本地振荡器可以是空气等离子体中产生的白光光谱中的400nm 频谱成分.我们可以这样来理解这种太赫兹波的相干测量的原理:光电倍增管所探测到的总的二次谐波强度信号,是与所有可被探测到的相干的二次谐波电场分量总和的平方成正比的.当我们把具有探测光束的二次谐波一样波长的本地振荡器(SH LO )的影响E LO 2ω考虑进去时,那么总体的二次谐波强度信号I 2ω在一个电磁波振荡周期内的时间平均值可以表示成如下的形式:I 2ω∝(E 2ω)2=(E signal2ω+E LO 2ω)2=(E signal2ω)2+(E LO2ω)2+2E signal2ωE LO2ωco s (φ),(2)其中φ是E signal 2ω和E LO2ω之间的相位差.通过实验我们可以证明,在图1所示的实验装置中,本地振荡器E LO2ω主要来源于空气等离子体中产生的白光光谱中的400n m 频谱成分.由(1)式和(2)式可以得到:I 2ω∝(χ(3)I ω)2I T Hz +(E LO 2ω)2+2χ(3)I ωE LO 2ωE T Hz cos (φ).(3)可以看出,(3)式右边的第一项正比于太赫兹波的强度.当本地振荡器E LO2ω等于零或者较小时,(3)式右边的第一项处于主导地位,因而有I 2ω∝I THz ,亦即非相干探测.第二项对应于二次谐波本地振荡器的直流DC 项,在实验中,它可以通过调制太赫兹波束并使用锁相放大器来把它过滤掉.第三项是相干项,它与太赫兹波的电场E THz 成正比.这一项为脉冲太赫兹波的相干探测提供了基础.如前所述,本地振荡器E LO2ω主要来源于空气等离子体中产生的白光光谱中的400nm 频谱成分,所以当探测脉冲的峰值功率密度远高于空气等离子体产生阈值时,我们可以合理地假设一个固定的非零相差φ.并且右边的第三项将处于主导地位.此时,(3)式可以简化为I 2ω∝2χ(3)I ωE LO 2ωE THz .(4)(4)式是在平面波近似以及探测脉冲的峰值功率远高于空气等离子体产生阈值时得到的.可以看出,在探测脉冲的峰值功率密度被固定时,探测器所探测到的二次谐波信号的强度与太赫兹波的电场强度成比例.也就是说,在满足上述条件时,通过测量时间分辨的二次谐波信号的强度I 2ω可以实现对脉冲太赫兹波的相干探测.必须指出的是,(4)式中χ(3)是随着探测光束的峰值功率密度变化而变化的.尤其是在探测光束的峰值功率密度接近空气等离子体产生阈值时,这种变化会更加显著.另外,为了保证本地振荡器具有足够的强度E LO2ω,探测光束的峰值功率密度必须远高于等离子体产生阈值[9].为了检验(4)式的准确性,首先我们将探测光束的峰值功率密度固定在一个远高于等离子体产生的阈值的数值上,然后通过改变被测太赫兹波的电场强度来观察探测到的二次谐波信号强度I 2ω的变化.图3显示了探测脉冲峰值功率密度为16×1014W /c m 2时,所探测到的二次谐波信号的强度I 2ω随太赫兹波峰值电场强度变化的实验结果.该变化关系是线性的,从而证明了(4)式的有效性.研究快讯为了进一步从实验上证实上述对(3)式的论述:当本地振荡器E LO2ω等于零或者较小的时候(即探测脉冲的峰值功率密度小于空气等离子体阈值时),这种空气探测法表现为非相干测量;而当本地振荡器E LO2ω足够大的时候(即探测脉冲的峰值功率密度远大于空气等离子体产生的阈值时),这种空气探测法表现为相干测量.我们分别在I ω等于～1.3×1014W /c m 2和～10×1014W /c m 2时测量了I 2ω随延迟时间(delay )的变化波形(即太赫兹脉冲强度或者振幅波形).图4分别显示了空气中(湿度约为30%)在这两个不同探测光束峰值功率密度下探测到的波形.显然,当探测光束峰值功率密度小于空气等离子体产生的阈值(～1.5×1014W /c m 2)时,只探测到了太赫兹脉冲的强度波形.因为此时并无本地振荡器E LO2ω存在,所以只有非相干探测.而当探测光束峰值功率密度远远大于空气等离子体产生的阈值时,我们可以探测到太赫兹脉冲的振幅波形,从而得到太赫兹脉冲的振幅和相位信息,实现了相干探测.图4　当探测光束的功率密度远远大于空气等离子体阈值(约～1.5×1014W /c m 2)时测得的二次谐波强度I 2ω相对于被测太赫兹波峰值电场强度的变化趋势(实心圆代表实验数据,实线是数据的线性拟合;该实验结果证实了(4)式预测的线性关系)3　结束语综上所述,我们介绍了以环境空气作为探测介质,通过三次非线性光学过程来探测太赫兹波的全新方法.迄今为止,用空气作为太赫兹波探测介质的这种相干探测方法的最大动态范围可达30dB (锁相放大器的时间常数为0.3s ).结合太赫兹波在空气中的产生,我们成功地实现了将空气既作为图5　在两个不同探测光束的功率密度情况下所测量到的二次谐波强度I 2ω随延迟时间展开的波形.当I ω=～10×1014W /c m 2即远大于空气等离子体阈值(约～1.5×1014W /c m 2)时,表现为相干探测(图中靠上的波形);当I ω=～1.3×1014W /c m 2即小于空气等离子体阈值时,表现为非相干探测(图中靠下的波形)发射器又作为探测器的太赫兹时域谱分析系统.由于水蒸气对太赫兹波的强吸收,太赫兹波在大气中传播时的衰减高于100d B /km.一直以来,远距离宽带太赫兹波的遥感探测和光谱分析被认为是不可能实现的.本文所介绍的全光学全空气的太赫兹波产生和探测的方法能通过将可见光脉冲发送到远处被测物体附近来产生和探测太赫兹波,利用可见光在空气中的低衰减(<0.01dB /k m ),实现远距离太赫兹的观测,因而具有重要的意义.参考文献[1]　Fergus on B ,Zhang X -C .Nature Materials,2002,1:26[2]　Zandonella C .Nature,2003,424:721[3]　Cole B E et al .Nature,2001,410:60[4]　Huber R et al .Nature,2001,414:286[5]　Carr G L et al .Nature,2002,420:153[6]　K hler R et al .Nature,2002,417:156[7]　Kaindl R A et al .Nature,2003,423:734[8]　W ang K,M ittle man D M.Nature,2004,432:376[9]　Dai J,Xie X,Zhang X -C .Phys .Rev .Lett .,2006,97:103903[10]　Ha m ster H et al .Phys .Rev .Lett .,1993,71:2725[11]　Tz ortzakis S et al .Op t .Lett .,2002,27:1944[12]　Cook D J,Hochstrasser R M.Op t .Lett .,2000,25:1210[13]　KressM et al 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大气湍流对空间相干光通信的相干探测性能影响
刘宇韬;徐苗;付兴虎;付广伟
【期刊名称】《物理学报》
【年(卷),期】2024(73)10
【摘要】空间相干光通信被认为是突破现有高速空间通信瓶颈的重要手段,但其应用受到大气湍流的极大限制.为此,本文首先基于Huygens-Fresnel原理和低频补偿功率谱反演法,研究了高斯光束经大气湍流传输后振幅和相位的随机分布特性;然后,利用相干混频效率及通信误码率模型,获得大气湍流对空间相干光通信系统性能的影响规律;最后,搭建激光外差探测实验系统,定量研究了大气湍流对空间相干光通信相干探测性能的影响.结果表明:弱湍流条件下,空间相干光通信性能几乎不受大气湍流的影响;中等强度湍流影响下,相干混频效率会随着湍流强度的增大而迅速下降,但通过提高单比特光子数可以有效抑制湍流对通信性能的负面影响;强湍流会显著破坏光束相干性,使得相干混频效率趋近于零,即使提高单比特光子数也无法有效改善通信性能.大气湍流是空间相干光通信发展的重要限制因素,该研究可为空间相干光通信系统性能评估提供有益参考.
【总页数】9页(P203-211)
【作者】刘宇韬;徐苗;付兴虎;付广伟
【作者单位】燕山大学信息科学与工程学院;自然资源部海洋观测技术重点实验室【正文语种】中文
【中图分类】TN9
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1.55μm相干激光雷达系统的硬目标速度探测张飞飞;夏海云;孙东松【摘要】为了实现激光雷达系统对硬目标的探测,设计了相干探测系统,引入平衡探测器优化本振的大小,并对漫反射硬目标速度进行了探测.结果表明,采用平衡探测器,优化本振的大小,可以有效地提高系统的信噪比,对漫反射硬目标的速率探测平均误差为0.49m/s,测量速率的方差为0.91m/s,实现了系统对漫反射硬目标速度的相干探测.这一结果对于相干测风激光雷达的研制是有帮助的.%In order to realize coherent detection of speed of hard targets, a coherent system was designed with a balanced detector introduced to optimize the value of the local oscillator, and the speed of a diffusive hard target was detected. The result demonstrated that the signal to noise ratio of the system was efficiently improved with the balanced detector, the average speed accuracy of the hard target was about 0. 49m/s, variance of detection was 0. 91 m/s, and this system made the coherent detection of the speed of a diffusive hard target. The outcome is useful for research of coherent wind lidar.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2012(036)005【总页数】5页(P602-606)【关键词】激光技术;激光雷达;相干探测;硬目标;速度探测【作者】张飞飞;夏海云;孙东松【作者单位】中国科学院安徽光学与精密机械研究所大气光学中心,合肥230031;中国科学技术大学地球与空间科学学院,合肥230026;中国科学技术大学地球与空间科学学院,合肥230026【正文语种】中文【中图分类】TN958.98引言全球的大气风场观测可以预报天气和预测气候变化[1]，激光雷达已成为了探测全球大气风场的强有力的手段。

量子力学中的相干态和纠缠态的测量方法量子力学是研究微观世界的基本理论，它描述了微观粒子的行为和性质。

在量子力学中，相干态和纠缠态是两个重要的概念。

相干态指的是具有确定相位关系的量子态，而纠缠态则是指两个或多个粒子之间存在着密切的相互关联。

在量子力学中，相干态是非常重要的，因为它们可以用来描述许多量子现象，如干涉和波动性。

相干态可以通过干涉实验来测量。

干涉实验是一种通过将两个或多个相干波叠加在一起来观察干涉现象的实验。

在干涉实验中，我们可以使用干涉仪来测量相干态。

干涉仪通常由两个或多个光学元件组成，如分束器和反射镜。

通过调整光学元件的位置和角度，我们可以观察到干涉条纹的出现，从而确定相干态的性质。

除了干涉实验，我们还可以使用其他方法来测量相干态。

例如，我们可以使用相干态与其他已知态进行相互作用，然后通过测量相互作用后的结果来确定相干态的性质。

这种方法被称为相干态的探测。

相干态的探测可以通过光子计数器、光学干涉仪和量子探测器等设备来实现。

通过对这些设备进行精确的校准和调整，我们可以获得准确的相干态测量结果。

除了相干态，纠缠态也是量子力学中的一个重要概念。

纠缠态是指两个或多个粒子之间存在着特殊的相互关联，即使它们之间的距离很远，它们的状态仍然是相互依赖的。

纠缠态的测量是量子力学中的一个难题，因为它涉及到对多粒子系统的测量。

在纠缠态的测量中，我们通常使用的方法是对纠缠态进行随机测量。

随机测量是指在测量之前我们无法确定粒子处于哪个态，只能得到一个概率性的结果。

通过对纠缠态进行随机测量，我们可以确定粒子的状态，并且可以得到它们之间的相互关系。

纠缠态的测量可以通过一系列的实验来实现。

例如，我们可以使用贝尔不等式来测量纠缠态的性质。

贝尔不等式是一种用于检验量子力学与经典物理理论之间差异的不等式。

通过对纠缠态进行贝尔不等式的测量，我们可以确定纠缠态的性质，并验证量子力学的预测。

除了贝尔不等式，还有许多其他方法可以用来测量纠缠态。