單光子態(tài)是不同于傳統(tǒng)相干光源的一種新型量子態(tài),隨著單光子技術(shù)的發(fā)展,高效穩(wěn)定、具有高度不可分辨性的單光子源在量子信息和量子計(jì)算等領(lǐng)域得到應(yīng)用和發(fā)展。以下是 qCMOS相機(jī)對單光子源成像案例。
案例:量子點(diǎn)光源
關(guān)鍵詞:量子點(diǎn)
拍攝條件:InAs/GaAs自主裝半導(dǎo)體量子點(diǎn),溫度6 K,發(fā)光波長900 nm,曝光時(shí)間100/10 ms
通過實(shí)驗(yàn)室自主搭建的低溫共聚焦成像系統(tǒng),對發(fā)光波長在900 nm的InAs/GaAs自主裝半導(dǎo)體量子點(diǎn)進(jìn)行帶上激發(fā)&成像,分別讓EMCCD和 Hamamatsu qCMOS相機(jī)在各自高信噪比模式和高幀速模式下,對客戶所關(guān)心的量子點(diǎn)單光子源的成像品質(zhì)和成像耗時(shí)進(jìn)行對比。
對于高幀速下的成像耗時(shí),qCMOS相機(jī)比EMCCD有明顯優(yōu)勢,qCMOS相機(jī)可以在10 ms曝光時(shí)間下,對量子點(diǎn)進(jìn)行高速尋址而EMCCD無法做到,滿足了客戶對高幀速采集單光子需求。總的來說qCMOS相機(jī)有分辨率、幀率兼信噪比高的特性,產(chǎn)品具有較高的參數(shù)指標(biāo),在短曝光時(shí)間時(shí)相比于EMCCD有較明顯優(yōu)勢。
案例:SPDC
關(guān)鍵詞:SPDC,糾纏光子對
拍攝條件:810 nm雙光子對,10/100 ms曝光,bin4x4
利用參量下轉(zhuǎn)換過程產(chǎn)生810 nm的軌道角動(dòng)量糾纏的雙光子對,利用濱松的SLM對其進(jìn)行操作和測量。將qCMOS相機(jī)放置在SLM之后觀察參量下轉(zhuǎn)換光子攜帶OAM的情況??梢院芮逦目吹讲煌壍澜莿?dòng)量光場分布,信噪比好于同類相機(jī),光子數(shù)分辨功能非常強(qiáng)大。
案例:SPDC
關(guān)鍵詞:單光子探測,衰減相干光
拍攝條件:390 nm激光
本實(shí)驗(yàn)以相機(jī)對390 nm激光經(jīng)過透鏡聚焦后入射BBO(Beam-Like型)晶體中產(chǎn)生的780 nm參量光(出射角約為3°)進(jìn)行成像。
其一是由空間光調(diào)制器(SLM)加載渦旋相位屏制備的渦旋光束;其二是由空間光調(diào)制器(SLM)加載疊加態(tài)相位屏制備的軌道角動(dòng)量疊加態(tài)光束 對上述兩種光束分別采用弱相干光作為光源和參量光作為光源,在不同曝光時(shí)間下測量其強(qiáng)度分布,以測試相機(jī)對其形狀的分辨能力。使用780 nm激光管產(chǎn)生一束25mw左右的激光,經(jīng)過60 dB的衰減之后衰減到10 nw量級(jí)。 參量光在進(jìn)入測試光路前強(qiáng)度約為2×106光子/s,在光路中需經(jīng)過空間光調(diào)制器進(jìn)行調(diào)制,再經(jīng)過光路形成光斑,最后入射到相機(jī)中心,進(jìn)入相機(jī)的光子數(shù)約為1×104光子/s。
用濱松ORCA-Quest qCMOS相機(jī)以及EMCCD相機(jī)在相同曝光時(shí)間下,測試了渦旋光束和軌道角動(dòng)量疊加態(tài)屏的效果。 當(dāng)入射光為衰減后的相干光時(shí),進(jìn)入相機(jī)的光強(qiáng)是 nw量級(jí),此時(shí)曝光時(shí)間較短約為1 ms,EMCCD有明顯的smear效應(yīng),此時(shí)的qCMOS相機(jī)測試得到的渦旋光束和疊加態(tài)強(qiáng)度分布均比EMCCD具有更高的對比度,邊緣也更清晰。
不同曝光時(shí)間及增益的成像效果如下:根據(jù)實(shí)測用戶反饋,在弱光探測上面,qCMOS相機(jī)分辨率、幀率兼具信噪比高,產(chǎn)品具有較高的參數(shù)指標(biāo),其配套的軟件操作簡單方便。
案例:單光子源
關(guān)鍵詞:弱光信號(hào)
拍攝條件:1 ms曝光,bin2x2
在測試弱光場下,633 nm的光束經(jīng)過渦旋波片處理后的強(qiáng)度分布,弱光信號(hào)經(jīng)過渦旋波片被探測器接受,測量qCMOS相機(jī)最弱能夠探測到的光子數(shù)。如圖所示,該實(shí)驗(yàn)中qCMOS相機(jī)可探測1.8個(gè)光電子/像素的光強(qiáng),但還未達(dá)到相機(jī)的探測極限,可以探測更弱信號(hào)。
案例:鈹離子
關(guān)鍵詞:弱光成像
拍攝條件:1000 ms曝光,背光條件,bin2x2
模擬弱光衰減光源的實(shí)驗(yàn)背景下,測試紫外光(395 nm)背光條件中,相機(jī)對USAF分辨率卡的成像效果。測試的重要參數(shù)指標(biāo)包括清晰度、弱光探測效果及信噪,調(diào)節(jié)光路至相機(jī)可以清晰成像,不斷增大衰減參數(shù),觀察并記錄相機(jī)的成像效果。從左至右依次衰減光強(qiáng),得到的如下圖的成像質(zhì)量,該實(shí)驗(yàn)中可以得到清晰成像,在后續(xù)的鈹離子探測實(shí)驗(yàn)中有良好效果。
案例:量子點(diǎn)光源
關(guān)鍵詞:單光子
拍攝條件:1000 ms曝光,bin2x2
用旋涂法制得的膠體量子點(diǎn)樣片,在常溫下可以發(fā)射單光子。將相機(jī)直接安裝在顯微鏡成像出口上觀察膠體量子點(diǎn)的單光子熒光。
下圖為Fusion BT相機(jī)拍攝效果,從圖中可以看出,相機(jī)可以看到量子點(diǎn)的單光子熒光,如用qCMOS相機(jī),效果更佳。
審核編輯黃宇
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