Laser & Photonics Reviews:基于量子弱测量原理的超高分辨率波前传感器

波前传感是现代光学中非常重要的测量技术,通过对远场光束强度分布的采样、调制与探测,从而实现光束波前相位的重构。这一技术广泛应用于波前校正、天文观测、医学成像、激光技术等领域。目前传统的波前传感器,如哈特曼波前传感器,具有光能利用率高、抗噪能力强、简洁高效、可实时测量等诸多优点,但是由于受子孔径密度的限制,无法实现波前斜率的密集采样,因而难以实现像素级的空间分辨率。

中国科学技术大学李传锋研究组根据量子力学原理,利用双折射方解石晶体耦合光束的动量和偏振自由度,并将耦合强度调到很小,最后在特定方向上对偏振态进行投影并利用高分辨率相机探测光子,从而实现每个像素上光子动量的量子弱测量。研究组进一步结合哈特曼波前复原算法处理光子动量信息,最终实现了像素级波前重构。研究组利用该方法高精度地重构了高斯光束、拉盖尔-高斯光束的波前,并进一步实现了传统方法难以实现的具有超高空间频率波前的测量。成果4月3日发表在光学顶级期刊《Laser & Photonics Reviews(激光与光子学评论)》上(DOI:10.1002/lpor.201900251)。

基于量子动量弱测量的波前传感器消除了波前分割采样元件透镜阵列的限制,达到了像素级波前重构精度。审稿人高度评价该项工作:“将量子力学测量技术应用在经典结构光领域,将带来出乎意料的发展(The implementation of quantum mechanical measurement techniques in the characterisation of classical structured light may lead to fascinating developments)”。研究组进一步致力于相关技术的推广与落地。该传感器结构简单,所需光学元件少,结合当前成熟的晶体生长和切割工艺,具有批量化生产的潜力,相关技术已经申请发明专利(申请号201910079845.8),并已经获得实用新型专利授权(专利号ZL201920033899.5)。