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热光的高阶关联成像及其可见度研究

刘应传  
【摘要】: 关联成像,又名符合成像或鬼成像,是一种起源于量子理论的全新成像理论,其所表现出来的奇特性质已经成为近年来量子光学领域研究前沿的热点问题之一。最初,关联成像曾被认为是量子纠缠所特有的属性,人们认为量子纠缠是实现关联成像的必要条件。后来,这种观点在理论上和实验上都受到了挑战。进一步的研究表明,经典关联可以模拟量子纠缠的某些性质,而热光或准热光存在这种经典关联,因此可以用热光或准热光来实现关联成像。利用经典热光源实现关联成像,使得我们可以将关联成像更广泛地应用于其它领域,并为量子擦除、量子密码术、量子全息摄影术和无镜共轭成像等奠定下实验基础。 本文提出了一种任意阶的热光关联成像理论方案,推导了其成像的高斯薄透镜方程,并计算了关联函数。在我们的方案中,成像系统由N个线性光学系统组成:一个取样系统和N-1个参考系统。待成像物体和一个收集透镜以及一个收集探测器位于取样系统中,而N-1个参考系统中各包含一个成像透镜和一个扫描探测器。从热光源射出的光线经过分束器组合分成N束经典关联的热光,分别进入N个线性光学系统中,探测器把接收到的光信号转化为电信号,并送到符合电路进行符合测量。从关联函数可以看出,在满足高斯薄透镜方程的条件下,物体的空间分布就会以非定域的形式再现在参考系统中。也就是说,实现了同一物体在N-1个不同空间位置呈现鬼像。我们的方案是一个多鬼像协议,它的提出为多端口信息处理技术的发展揭开了新的一页。同时,对于更好的理解关联成像的物理本质具有重要意义,也揭示了高阶相干或者高阶关联的一种新的可观测物理效应。 本文还研究了热光四阶关联成像的几何光学,讨论了实鬼像与虚鬼像出现的八种不同情况,并根据热光源在成像中所起的作用,画出了几何光路图。 此外,本文还研究了热光关联成像中的成像质量问题,根据成像过程中的关联函数,我们得到了高阶关联成像中可见度的定义,并引入了二阶以及高关联成像可见度的表达式,分别得到其可见度的理论上限值。结果表明光源的空间频率带宽、物体的透明区域大小和关联的阶数都会影响成像的可见度,而且可见度随着关联阶数的增加而提高。


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