利用光学超晶格纠缠光子实现新型无透镜“鬼”成像的理论和实验研究

量子成像是一种利用光子或光场的量子特性实现突破经典衍射极限的成像技术，具有高分辨率、高信噪比以及非局域特性。本项目拟提出一种新型的无透镜量子"鬼"成像技术，将量子成像的分辨率推至极限,并将无透镜量子成像拓展至特殊波段。利用光学超晶格这种人工非线性光学材料产生特殊位置（动量）关联的纠缠光子，通过畴工程技术调控双光子波阵面，实现纠缠双光子聚焦或者发散，进而实现无透镜"鬼"成像。理论上研究光学超晶格中纠缠双光子的时间和空间关联特性、高斯成像公式、成像分辨率以及景深等问题，实验上通过不同畴结构设计，系统研究简并和非简并双光子"鬼"成像、立体"鬼"成像以及多重准相位匹配下的多"鬼"像等，并研究这种无透镜"鬼"成像技术在空间探测、生物、医疗等方面的应用。光学超晶格作为纠缠光子源的同时兼具透镜、分束镜等线性光学元件功能，对于发展新型集成化量子技术有重要价值。

鬼成像是量子光学领域一门重要的新生学科，它利用量子纠缠源或热光源进行非局域的关联成像，无论对于研究量子力学基础问题还是成像技术的革新都具有重要意义。在近二十年内，引起了很多学者的研究兴趣。特别是最近几年，鬼成像已经逐渐走出实验室，逐步迈向应用，希望能够提升传统成像技术的抗干扰性和分辨率等核心参数。而就鬼成像技术本身而言，还有很多基础问题有待解决，纠缠光是否也可以像热光一样实现无透镜的鬼象？纠缠光鬼象是否可以呈现彩色？纠缠光鬼象的分辨率是否可以进一步提高？鬼象是否还可以辅助一些量子基础物理问题的研究？本项目就是针对这样的研究背景和问题设立的。本项目基于光学超晶格实现无透镜“鬼”成像，在理论和实验上取得一系列结果，并且将无透镜成像的概念进行扩展，实现了一种新型的无透镜的Talbot自成像。具体的包括：光学超晶格中无透镜鬼成像和应用； 动量正关联调控对量子态以及鬼成像分辨率的影响；多路径纠缠产生以及多鬼象产生；以及向集成材料体系即波导阵列体系拓展等。该系列成果是鬼成像理论和技术方案的重要补充，为无透镜鬼成像提供新原理、新方法和新材料，同时该项目结果可以直接推广到其他不易制备透镜的特殊波段，具有很广泛的应用前景。项目共发表SCI论文7篇，其中1篇PRL，3篇PRA。项目执行期间有两名博士后出站，共培养4名博士研究生，其中一名博士研究生为江苏省优秀博士论文。项目主要结果荣获第八届“饶毓泰基础光学奖”二等奖，项目负责人获得国家自然科学优秀青年科学基金、获得教育部“新世纪优秀人才支持计划”支持。