关联成像的理论及应用研究

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关联成像作为一种崭新的成像技术,近年来受到了人们的广泛关注。关联成像是一种利用光场的高阶关联进行成像的技术,其可由纠缠光源和空间分布统计无关光源实现。由于其成像方式的新颖性及其存在非局域性、高分辨率和抗大气干扰等特性,其理论引起了人们的兴趣。同时,由于其在实际中的潜在应用前景巨大,人们对其应用也进行了深入的研究。  本文主要对光场的高阶关联及其在关联成像中的应用进行了研究。主要内容包含关联成像的理论及应用两个方面:  理论方面:  首先,研究了不同平均光子数水平下纠缠光源和空间分布统计无关光源在近场和远场的二阶空间关联,对其物理图像进行了分析,分析了探测模式和光子数统计对二阶空间关联的影响,并且得出纠缠光源和空间分布统计无关光源二阶空间关联的不同。  其次,提出了相位调制下不同光源产生不同类型高阶关联的方案,分析了不同相位调制方式对高阶关联类型的影响,发现利用不同相位调制方式可以实现不同纠缠态的高阶关联性质,其中包括高阶类GHZ和类W关联。  应用方面:  首先,定量研究了关联成像中的一种成像方案:无透镜傅里叶变换关联成像的基本理论。发现无透镜傅里叶变换关联成像可以看作一相干成像方案,并且得出了其成像条件,并且进一步分析了影响无透镜傅里叶变换关联成像分辨率和对比度的因素。  其次,研究了可预置光源的关联成像。首先,我们通过对相干光进行振幅和相位调制实现了亚瑞利成像,从而提高了光学系统的成像分辨率。其次,我们利用 Gerchberg-Saxton(GS)迭代算法通过对相干光源相位进行调制得到了非负指数散斑,同时利用得到的非负指数分布散斑可以实现关联成像,并且分析了非负指数散斑对关联成像质量的影响。最后,为了在实验上分析可预置光源的关联成像,我们在实验上实现了可预置光源关联成像系统,从而促进了关联成像技术在实际中的应用。  再次,通过对相干光进行振幅和相位调制实现了两种亚波长干涉效应方案,从而提高了光学成像系统的分辨率。在第一种方案中,利用一单像素探测器即可实现亚波长干涉效应方案,从而得到物体的亚波长干涉条纹,并且得到的亚波长干涉条纹可被反演得到物体的高分辨率像。在第二种方案中,我们借助高阶关联算法通过对相干光源进行相位调制可得到更高分辨率的干涉条纹。  最后,提出了一种利用纠缠实现图像加密传输的方案。在本方案中,图像传递过程包含两种模式:安全验证模式和信息模式。Alice和Bob可以通过比较安全验证模式中测量结果的关联性来发现窃密行为。只有当验证没有窃密行为后,Alice才会把信息模式中的测量结果发送给 Bob,从而利用关联成像的原理得到物体的像。在此方案中,Alice和Bob不需要事先共享密钥串。并且,纠缠既可以用来保证量子信道的安全性,也可以用来传递物体的信息。
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