本文利介绍了利用光纤分束器和N个单光子探测器（工作在盖革模式下的APD）构建一种单脉冲光子计数方案。利用光纤分束器将返回光信号均分为N路，每路用一个单光子探测器独立探测，探测后将各路的输出信号（0/1）对应相加便可以实现目标回波信号的光子计数功能。

图1为基于光子计数的关联成像实验装置示意图，实验装置整体分为发射系统和接收系统两部分。发射系统利用窄脉冲激光照射旋转的毛玻璃形成赝热光场，并经过分束器（BS）分成物光路和参考光路。其中参考光路中的参考透镜f2将光阑S面处的赝热光场成像到参考相机CCD上，由该相机记录赝热光场的空间分布信息。物光路中的发射透镜f1将光阑S面处的赝热光场成像到目标上，经目标反射后的光子由一个接收望远镜会聚于光子计数模块（PCM）上，由该PCM对回波信号进行光子计数探测。需要强调的是，该PCM由一个光纤Ｎ路分束器和N个单光子探测器组成。实验过程中，赝热光源、参考光路中的CCD和接收系统中的PCM等均由自主开发的同步控制器及现场可编程门阵列核心板（FPGA）进行控制，通过计算机发布指令给FPGA核心板，从而达到控制整个实验装置的目的。由于每次探测时CCD记录的光场分布和投射到目标上的光场分布是关联的，因此通过CCD记录的光场空间分布与PCM记录的光子计数分布进行关联运算，可以获取目标的空间分布信息。

图1

与传统关联成像装置相比，该实验装置的核心部件在于接收系统中能实现单脉冲光子计数功能的PCM。图2（a）为基于光纤分束器和Ｎ个单光子探测器（工作在盖革模式的APD）的光子计数方案示意图，接收望远镜收集到的微弱光信号经中心波长532nm的滤光片（带宽1nm）滤光后，通过光纤耦合器耦合进入N路光纤分束器的输入光纤。N路光纤分束器将返回光信号等比例（误差小于10%）分成Ｎ路，分束后的每一路由单光子探测器同步探测，APD输出的TTL电平信号由多通道计数器并行计数。实验过程中，计数器在门控信号的控制下准确开关，不但可以对每路APD的输出信号准确计数，而且可以利用门控的选通作用大大降低APD暗计数所引入的误差。一次探测过程中如果某一路有光子进入APD，则该路会输出一个高电平信号并记为1；如果没有光子进入则该路输出一个低电平信号并记为0。一次探测过程完成后，所有探测器的输出值相加便会得到0～N之间的数值，该数值代表了此次探测过程中有几路有光子进入，从而实现了光子计数的功能。图2（b）为光纤分束器实物照片。

图2

利用图１所示的实验装置，进行了基于光子计数的关联成像实验。实验装置的具体参数如下：入射激光波长λ＝532nm，激光脉宽为10ns，发射透镜f1的焦距为5m，接收望远镜焦距为477mm，发射透镜与探测目标之间的距离L2＝2km，参考光路中的成像放大率为1×，光纤耦合器的型号为Thorlabs公司生产的PAF-SMA-5-A，输入光纤为内芯直径为105μm并且数值孔径为0.22的多模光纤。由接收系统的拉氏不变量换算可知，接收望远镜的通光口径为60mm，接收视场发散角为1.32′。实验中调节发射系统的发射角至1.03′，保证接收系统可以接收到发射视场中的所有信息。成像目标如图3（a）所示，为4个正方形组成的物体，每个正方形的边长为5cm，相邻正方形在水平方向和竖直方向上的中心间隔都为10cm。对于类似稀疏度的成像目标，通过模拟研究发现，2~3bit的探测动态范围足以实现关联成像对该目标的清晰成像，所以实验时光子计数模块结构中的APD数目N＝6，所采用APD的型号为SPCM-AQRH-1-6，量子效率在532nm为50%，图像重构采用差分关联算法。图3（b1）~（b6）为15000次采样时物光路不同光子计数动态范围下对应的统计分布直方图，可以看出，随着光子计数动态范围的增加，目标返回信息在各个光子计数值上的分布趋于高斯统计分布，不再集中于某个数值上而导致信息的大量丢失，如图3（b1）中的0值。探测时信息量的提升将可以有效改善关联成像的重构质量，如图3（c1）~（c6）和图3（d1）～（d6）所示，随着光子计数动态范围的增加，关联成像的对比度逐渐提升，其中图3（c1）~（c6）的采样次数为6000，图3（d1）～（d6）的采样次数为15000。另外，对比图3（c1）~（c6）和图3（d1）~（d6）还可以发现，当采样数足够多并且目标的有效反射截面较小时，随着光子计数的动态范围达到一定数量，其重构信噪比将趋于稳定。

图3

来自《基于光子计数的关联成像实验研究》

<Correlated two-photon imaging with true thermal light>