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二阶关联性质是量子光学最近的研究热点,被认为是新奇的量子成像的根源。由同一光源发出的两束光,其中一束通过物体照射到一个桶探测器,与另一路直接到达一个参考探测器的光束做符合测量,符合测量的结果重现了物,这种符合成像技术被称为双光子关联成像或“鬼”成像。自第一个基于自发参量下转换过程产生的纠缠光子的鬼成像实验被实现后的十多年里,这种新颖的成像技术在量子光学领域引起了广泛的关注,从量子到经典到计算到压缩感知的成像,开展了大量的研究。人们发现处于双光子纠缠态中的两个光子之间存在非经典关联,而经典光源也可以实现关联成像;并且可以用热光源实现无透镜的鬼成像。由于量子纠缠和经典热光的关联成像效应服从不同的高斯透镜成像公式,所以关联成像的位置和属性有所不同。最近,更多的关注集中在如何将鬼成像技术实用化,以及如何突破其成像技术的局限性等方面。尽管鬼成像的研究日趋成熟,但是经过我们的一系列研究,还是发现了一些新的现象。
首先,对于一个有限大小、均匀分布的非相干光场中的无透镜二阶关联鬼成像系统,通过理论分析和数值模拟,验证了像的可见度和物的透射面积之间的关系。我们得到,在鬼成像和鬼衍射两种成像机制下可见度的变化仍是简单的比例关系,与早期的实验结果吻合一致。对于二阶鬼衍射,也被称为二阶鬼Fourier成像,当改变物体透射面积时,像的可见度随透射面积的增大而增大;而对于二阶鬼成像,却得到相反的结论-可见度随物体透射面积的增加而减小。
其次,在量子成像和量子光刻两种机制下,分析讨论了纠缠光子照明下的周期物体的二阶Talbot效应。其中,在量子成像机制下,通过两路光子的符合测量而非单路光子计数测量,可以观测到周期物体或放大或不被放大的非定域自成像,这一现象可以应用Klyshko图像来解释。而在量子光刻机制下,我们却发现纵向的二阶Talbot距离是经典一阶情况下的两倍,甚至于,在Talbot距离处得到自成像的横向分辨率没有像通常的远场量子光刻一样提高两倍。
再者,验证了在一个包含两个光路的无透镜成像系统下非相干光的非定域Talbot效应。我们在实验上观测到了出现在固定的特殊位置的周期物体的自成像,包括分数Talbot像和相位反转像,实验结果与理论分析吻合一致。而且,还发现当引入高阶关联计算时,非相干光的高阶Talbot像的像质有显著地提高和改善。此外,由于周期物体的存在,使得二阶Talbot自成像效应中的关联关系不再是与纵向距离无关的简单的一个点对应一个点的关系,而是随着纵向距离改变而周期地变化的一个点对应多个点的二阶关联。所以,当我们扫描两个点探测器时,同样可以非定域地复现周期物体的二阶Talbot自成像。
最后,报道了即使在不使用任何高级关联计算的前提条件下,通过对参考探测器探测到的随机图片根据时序分装后选择性叠加可以重建出物体的非定域正像和负像。所使用的光源是非相干热光源,物体与之相互作用后的光强涨落信息被物体后方的桶探测器记录,将桶探测器的输出转化为一个逻辑触发去挑选与桶探测器同步测量得到的参考探测器信息。与普通鬼成像或者压缩感知鬼成像相比,尤其是在图片较大的情况下,明显压缩了重建所需帧数量和计算时间,而且成像可见度高。为了解释这个诡异的实验现象,文中给出了一套简单的数学分析,至于背后的物理还亟待进一步深究。