滨松科研级相机量子领域应用案例：单光子源_滨松光子学商贸(中国)有限公司

滨松科研级相机量子领域应用案例：单光子源

候义建（hyj@hamamatsu.com.cn），王陈甜（wct@hamamatsu.com.cn）

单光子态是不同于传统相干光源的一种新型量子态，随着单光子技术的发展，高效稳定、具有高度不可分辨性的单光子源在量子信息和量子计算等领域得到应用和发展。以下是 qCMOS相机对单光子源成像案例。

案例介绍	推荐相机
案例：量子点光源	qCMOS相机
案例：SPDC	qCMOS相机
案例：SPDC	qCMOS相机
案例：单光子源	qCMOS相机
案例：铍离子	qCMOS相机
案例：量子点光源	qCMOS相机

案例：量子点光源

关键词：量子点

拍摄条件：InAs/GaAs自主装半导体量子点，温度6 K，发光波长900 nm，曝光时间100/10 ms

通过实验室自主搭建的低温共聚焦成像系统，对发光波长在900 nm的InAs/GaAs自主装半导体量子点进行带上激发&成像，分别让EMCCD和 Hamamatsu qCMOS相机在各自高信噪比模式和高帧速模式下，对客户所关心的量子点单光子源的成像品质和成像耗时进行对比。

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对于高帧速下的成像耗时，qCMOS相机比EMCCD有明显优势，qCMOS相机可以在10 ms曝光时间下，对量子点进行高速寻址而EMCCD无法做到，满足了客户对高帧速采集单光子需求。总的来说qCMOS相机有分辨率、帧率兼信噪比高的特性，产品具有较高的参数指标，在短曝光时间时相比于EMCCD有较明显优势。

以下视频可以体现相机优势，由于视频传输有压缩操作，在实际实验场景下，成像果会更加明显。

案例：SPDC

关键词：SPDC，纠缠光子对

拍摄条件：810 nm双光子对，10/100 ms曝光，bin4x4

利用参量下转换过程产生810 nm的轨道角动量纠缠的双光子对，利用滨松的SLM对其进行操作和测量。将qCMOS相机放置在SLM之后观察参量下转换光子携带OAM的情况。可以很清晰的看到不同轨道角动量光场分布，信噪比好于同类相机，光子数分辨功能非常强大。

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案例：SPDC

关键词：单光子探测，衰减相干光

拍摄条件：390 nm激光

本实验以相机对390 nm激光经过透镜聚焦后入射BBO（Beam-Like型）晶体中产生的780 nm参量光（出射角约为3^°）进行成像。

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其一是由空间光调制器（SLM）加载涡旋相位屏制备的涡旋光束；其二是由空间光调制器（SLM）加载叠加态相位屏制备的轨道角动量叠加态光束对上述两种光束分别采用弱相干光作为光源和参量光作为光源，在不同曝光时间下测量其强度分布，以测试相机对其形状的分辨能力。使用780 nm激光管产生一束25mw左右的激光，经过60 dB的衰减之后衰减到10 nw量级。参量光在进入测试光路前强度约为2×10⁶光子/s，在光路中需经过空间光调制器进行调制，再经过光路形成光斑，最后入射到相机中心，进入相机的光子数约为1×10⁴光子/s。
用滨松ORCA-Quest qCMOS相机以及EMCCD相机在相同曝光时间下，测试了涡旋光束和轨道角动量叠加态屏的效果。当入射光为衰减后的相干光时，进入相机的光强是 nw量级，此时曝光时间较短约为1 ms，EMCCD有明显的smear效应，此时的qCMOS相机测试得到的涡旋光束和叠加态强度分布均比EMCCD具有更高的对比度，边缘也更清晰。

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不同曝光时间及增益的成像效果如下：根据实测用户反馈，在弱光探测上面，qCMOS相机分辨率、帧率兼具信噪比高，产品具有较高的参数指标，其配套的软件操作简单方便。

案例：单光子源

关键词：弱光信号

拍摄条件：1 ms曝光，bin2x2

在测试弱光场下，633 nm的光束经过涡旋波片处理后的强度分布，弱光信号经过涡旋波片被探测器接受，测量qCMOS相机最弱能够探测到的光子数。如图所示，该实验中qCMOS相机可探测1.8个光电子/像素的光强，但还未达到相机的探测极限，可以探测更弱信号。

案例：铍离子

关键词：弱光成像

拍摄条件：1000 ms曝光，背光条件，bin2x2

模拟弱光衰减光源的实验背景下，测试紫外光（395 nm）背光条件中，相机对USAF分辨率卡的成像效果。测试的重要参数指标包括清晰度、弱光探测效果及信噪，调节光路至相机可以清晰成像，不断增大衰减参数，观察并记录相机的成像效果。从左至右依次衰减光强，得到的如下图的成像质量，该实验中可以得到清晰成像，在后续的铍离子探测实验中有良好效果。

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案例：量子点光源

关键词：单光子

拍摄条件：1000 ms曝光，bin2x2

用旋涂法制得的胶体量子点样片，在常温下可以发射单光子。将相机直接安装在显微镜成像出口上观察胶体量子点的单光子荧光。
下图为Fusion BT相机拍摄效果，从图中可以看出，相机可以看到量子点的单光子荧光，如用qCMOS相机，效果更佳。

资料介绍

	滨松ORCA-Quest qCMOS科研级相机介绍
	产品参数性能的详细解析。

	滨松ORCA-Quest qCMOS相机产品说明手册
	本文件为样本资料，内有详细参数。

	滨松相机应用案例：量子领域
	本网页详细介绍了滨松科研级相机在量子领域的应用案例。

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