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(duì)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(zhǎng)900 nm，曝光時(shí)間100/10 ms

通過(guò)實(shí)驗(yàn)室自主搭建的低溫共聚焦成像系統(tǒng)，對(duì)發(fā)光波長(zhǎng)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(duì)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(duì)比。

對(duì)于高幀速下的成像耗時(shí)，qCMOS相機(jī)比EMCCD有明顯優(yōu)勢(shì)，qCMOS相機(jī)可以在10 ms曝光時(shí)間下，對(duì)量子點(diǎn)進(jìn)行高速尋址而EMCCD無(wú)法做到，滿足了客戶對(duì)高幀速采集單光子需求?？偟膩?lái)說(shuō)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(shì)。

案例：SPDC

關(guān)鍵詞：SPDC，糾纏光子對(duì)

拍攝條件：810 nm雙光子對(duì)，10/100 ms曝光，bin4x4

利用參量下轉(zhuǎn)換過(guò)程產(chǎn)生810 nm的軌道角動(dòng)量糾纏的雙光子對(duì)，利用濱松的SLM對(duì)其進(jìn)行操作和測(cè)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(chǎng)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：?jiǎn)喂庾犹綔y(cè)，衰減相干光

拍攝條件：390 nm激光

本實(shí)驗(yàn)以相機(jī)對(duì)390 nm激光經(jīng)過(guò)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(duì)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(cè)量其強(qiáng)度分布，以測(cè)試相機(jī)對(duì)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(guò)60 dB的衰減之后衰減到10 nw量級(jí)。 參量光在進(jìn)入測(cè)試光路前強(qiáng)度約為2×106光子/s，在光路中需經(jīng)過(guò)空間光調(diào)制器進(jìn)行調(diào)制，再經(jīng)過(guò)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(cè)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(cè)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(duì)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(cè)用戶反饋，在弱光探測(cè)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(jiǎn)單方便。

案例：?jiǎn)喂庾釉?/p>

關(guān)鍵詞：弱光信號(hào)

拍攝條件：1 ms曝光，bin2x2

在測(cè)試弱光場(chǎng)下，633 nm的光束經(jīng)過(guò)渦旋波片處理后的強(qiáng)度分布，弱光信號(hào)經(jīng)過(guò)渦旋波片被探測(cè)器接受，測(cè)量qCMOS相機(jī)最弱能夠探測(cè)到的光子數(shù)。如圖所示，該實(shí)驗(yàn)中qCMOS相機(jī)可探測(cè)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(cè)極限，可以探測(cè)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(cè)試紫外光(395 nm)背光條件中，相機(jī)對(duì)USAF分辨率卡的成像效果。測(cè)試的重要參數(shù)指標(biāo)包括清晰度、弱光探測(cè)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(cè)實(shí)驗(yàn)中有良好效果。

案例：量子點(diǎn)光源

關(guān)鍵詞：?jiǎn)喂庾?/p>

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