自发参量下转换的研究及其在光学计量中的应用

朱嘉宁 陈海咏 金磊

上海市质量监督检验技术研究院 上海 201114

当前，光传感器建立在标准辐射源和标准探测器的基础上。通过对数据的规范以及促进自发参量转换技术在光学计量中的广泛应用，有效促进了该项技术的快速发展[1]。

1 计量数据相关分析

1.1 光辐射计量

光辐射测量一直是光学测量的核心，近年来建立了以下标准。

（1）以低温辐射计为中心光学测量的标准。低温辐射计是一种在绝对零附近工作的光辐射测试设备，在使用过程中具有灵敏度高，精度高的特点，功率测量的不确定度达到0.01，比正常光功率的标准高出两个数量级。美国的NIST 和英国的NPL 已开发出第一台具有液氮冷却和闭环机械冷却的低温辐射计，随后其用作光学辐射测量中的最高标准。

它是通过陷井探测器直接传输激光功率值的设备，通过设置特定的传输标准，可以通过红外，紫外线，弱光夜视和光度法传输该值，并且上述工作正在进行中。

（2）基于辐射的光谱灵敏度。低温辐射计主要在几个代表性的激光波长下校准发射标准，为更加完善辐射标准器的标定，建立了用于发射标准的光谱响应测量仪器，以完全校准各种发射标准的光谱响应特性。该设备可以测量和校准激光功率计，能量计，照度计，亮度计和各种光电探测器的光谱响应特性。

（3）光谱辐射标准。光谱辐射度是光辐射源的基本辐射特征。在1990 年，我们在9 米的光路上建立了光辐射强度，照度和亮度标准，工作的波长为380 到780nm。为了准确校准各种辐射源的光谱辐射特性，我们引入了全俄光物理研究所的从1800K 到3200K 的高温黑体，并在此基础上建成了标准的光谱辐射装置。

1.2 激光参数计量

从1980年后期到1990年中期，我国建立了限制在0.1-100mW的激光低功耗标准和限制在0.1-30J的激光能量相关标准。近年来，已经建立了以下相关标准设备来全方位测量激光性能参数[2]。

（1）脉冲激光峰值功率标准。通过同时测量输出能量和脉冲波形来计算峰值激光脉冲功率。我们已经建立了单脉冲激光峰值功率标准和重复进行频率激光峰值功率的标准。

（2）皮秒激光脉冲宽度测试系统。峰值激光脉冲功率标准可测量低至纳秒级的激光脉冲宽度。我们已经建立皮秒激光脉冲宽度测试需要的系统，该系统包括一组倍频YAG 激光器，用于测量短脉冲的时间特性，条纹相机和光学延迟标准。

1.3 成像光学计量

（1）大口径光学系统传递函数标准。在1990 年代初期，已经建立了可见光波段的光学传递函数的标准，并且为了满足诸如航空航天等特殊的需求，也建立了大孔径长焦光学系统的传递函数标准。该设备可以测量MTF 和PTF 以及焦距、截距、放大率和透射率。它不仅适用于干镜，还适用于从可见光到红外的性能测试。

（2）红外干涉仪和自动干涉图像检查系统。干扰测试是评估光学组件和系统质量的主要方法之一。我们已经开发了可见带干涉仪测试系统，并建立了用于测量平面晶体波像差的标准。开发了一种红外干涉仪，以满足国防系统的使用需求。该设备的主要功能是：红外光学材料的折射率均匀性，红外光学系统的技术参数，波前像差，红外光学系统的成像质量评估参数功能，抛光前光学组件的粗糙表面，光电设备的表面特征以及等效的低光照水平的精密机械组件。

2 自发参量转换双光子场的应用研究

在过去的十年中，参数下转换的双光子领域的应用研究一直很活跃，发达的应用领域包括光学计量，激光技术，量子光学和光通信等许多领域。

USKIST 在使用激发的参数下转换双光子速率与自然的参数下转换双光子速率的比率，使其与发射的辐射强度的特征成比例，并将在红外线下测量的强度转换为用可见光的模式进行测量。在相互的转换过程中会出现一对红外可见光子，并将测得的红外源入射方向调整为与下转换后的红外光子的输出方向相同。此测量不需要标准检测器或标准光源，因此通过红外光谱发射的测量绝对值实现，并且使用可见光检测器的红外发射测量比直接红外检测器更精确。

此外，可以使用自发参数下转换的双光子强度变化的相同属性来测量非常弱的光吸收。将测得的样品放在一个下变频光束和其另外一个下变频光束起到参考光束的路径中。可以将需要频率调整为要测量的样品的相同吸收带，并且可以测量少量的光的吸收，这中方式在光谱分析和研究过程中是一种非常有效的方法。

自然参量下进行双光子场转换的宽光谱特性可用于开发固态可调激光器。将参数下变频器放置在谐振腔中，以振荡下变频光的特定频率信号，以形成新的激光器。调节晶轴通过调整方向或通过调整晶体温度来微调匹配波长，这样就能在比较宽的范围中调节激光器的波长输出，从而得到完全硬化的宽波长可调激光器。

AEEkert 在1991 年就根据相关的研究提出了一种使用双光子纠缠态的量子密码学设计，这也就是人们所成为的EPR 协议。在EPR 分发协议中，可以通过自发的参数下转换过程来生成相关的粒子源。在具有不同密码基础和贝尔不等式标准的测试中保留数据。假如和不等式不统一，则采用量子期望，表明量子通道未被阻塞。假如不等式得到正确数据，则表明该信道在运行中有漏洞，即已经被窃听，此外，信息发送者就充当了经典的“隐藏变量”。

接受了这两种类型的信息后，此人可以制作原件的完整副本。在此过程中，原件不发送给收件人，而是始终留给发件人，仅发送原件。这是量子态的隐形传态，因为经典的信息测量和提取已被破坏[3]。

3 结语

自发参量下转换两光子领域的重大实用价值和广阔的应用前景吸引了众多科学技术工作者的关注，其在光通信领域的优势更加显著，并在今后得到更广泛的应用。