CN108519565A - 基于量子弱测量的弱磁场强度测量分析仪及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于量子弱测量的弱磁场强度测量分析仪及方法，利用磁光法拉第效应将待测位置的磁场转换为与光子自旋***相关的测量参数。此方法中，光子自旋***对旋光效应非常敏感，而对光源的波动性和环境噪声不敏感，因此可以很好的抑制噪声，提高测量精度。光子的自旋***可通过量子弱测量放大(表现为通过前、后偏振态后，探测器上光斑的质心位移，即依据光斑的能量分布计算得到的能量重心位置)，进行精确测定，从而高精度的获得待测位置沿光路方向的磁场强度。本发明所公布的基于量子弱测量的弱磁场传感技术对噪声的抑制能力较强，也可以作为一种实时、无标记的高灵敏度磁效应测量技术，在物理、化学、生物及工程技术等领域有较大应用。
Description
技术领域
本发明涉及光学仪器技术，具体涉及一种基于量子弱测量的弱磁场强度测量分析仪及方法。
背景技术
在磁测量技术领域，就磁现象而言大体可分为弱磁场、强磁场和甚强磁场三大类，而弱磁场的测量水平在很大程度上代表了国家磁场测量的技术发展水平，弱磁场检测技术的发展与应用也一直是人们至为关切的问题。我们知道弱磁场的检测技术是地磁常规和地震预兆检测的最适用技术,比如:加拿大的全国地磁网就是应用磁通门技术实现的；航磁地磁测量和宇航工程的磁场测量，使用的都是弱磁场技术；高精度的测磁仪器是地面磁法探矿的主要设备；军事上舰艇的消磁、鱼雷的的制导和卫星测距等都需要用到弱磁场技术；工程上也可以通过对一些材料作非破坏性检测，进而检测其内部的缺陷；现代弱磁技术在生物工程和医疗器械方面更是有重要的应用,如:核磁共振、肺磁诊断仪、胃磁诊断仪等。
现行的弱磁场磁强计是在各种经典的磁测量基础上发展起来的。例如,基于磁针原理的无定向磁强计,应用电子负反馈技术和数字技术后,其分辨力可达10-9～10-10T。但由于仪器的调整困难、环境条件要求苛刻,除在地磁观测中应用外,已很少使用。由于霍尔器件的材料和工艺的改进,霍尔效应磁强计的灵敏一度有了显著的改善,某些商品化的磁强计的测量下限己经作到10-5T，但是大多数霍尔效应磁强计灼灵敏度还不太高,测量弱磁场时还存在漂移等实际问题。现代的感应线圈磁强计都是利用电子技术将感应电动势放大和积分后显示的。近年来，现代的感应线圈磁强计都是利用电子技术由于电子积分器和V－f变换器性能的提高,感应线圈磁强计的测量精确度已经可以达到±0.2％～±0.1％。例如，国产的CST－2型数字磁通表，测量范围为10-8～10Wb，精确度为±0.2％～±0.5％。美国的726M12型旋转线圈磁强计，测量范围为5×10-8～5×10-2T，分辨力为5×10-10T。随着线圈匝数的增加，感应线圈的灵敏度将会提高。但它受线圈自身的谐振频率的限制，而去匝数越高的线圈其空间鉴别能力就会越差。然而人们感兴趣的通常是空间中某一点的磁场强度，因此又要求了线圈的尺寸，从而限制了线圈的精度。现有的其它常用测磁法，例如质子旋进磁强计、磁通门磁强计、光泵磁强计等。其中精度最高的磁通门测量计可达10-8～10-10T，并常用于宇航中。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种将光学谐振腔应用到弱磁场信号放大上，从而大幅提高可测弱磁场的精度的基于量子弱测量的弱磁场强度测量分析仪及方法。
本发明基于量子弱测量的弱磁场强度测量分析仪，包括：激光发射装置，激光发射器输出的激光依次经过的光发生装置、光强调节器、前偏振态制备器、谐振腔前镜、磁光法拉第晶体、谐振腔后镜、前共焦凸透镜、玻璃三棱镜、后偏振态制备器及后共焦凸透镜输出的光束输入光接收装置；
发光装置出射的光束经光强调节器、前偏振态制备器、谐振腔及其中的磁致旋光晶体、共焦前凸透镜后入射到玻璃三棱镜的光束偏振态为前选择量子态，在玻璃三棱镜处产生反射光束，反射光束经后偏振态制备器出射的偏振态为后选择量子态，再经共焦后凸透镜变为准直光束，进入光接收装置记录光束的光强；
入射光路中的前选择量子态与反射光路中的后选择量子态之间构成量子弱测量光路部分；调整前偏振态制备器、后偏振态选择器，从而使后选择量子态与前选择量子态接近垂直，夹角为90°±△’，△’不大于5°。
进一步地，谐振腔前镜和谐振腔后镜构成光学谐振腔，实现对磁光旋转角的放大效应。
进一步地，所述前偏振态制备器为偏振器或者偏振器与四分之一波片、相位补偿器组合中的一种；
所述后偏振态选择器为偏振器或者偏振器与四分之一波片、相位补偿器组合中的一种；
所述偏振器为格兰激光偏振棱镜或偏振分光镜。
进一步地，所述光接收装置为实现弱光探测的电荷耦合元件、光谱仪、光电倍增管、位置敏感探测器、四象限探测器中的一种；
进一步地，所述光学谐振腔前镜及谐振腔后镜为一组高反射率透镜，控制腔长为(n/2+1/4)λ，使腔输出强度达到峰值，其中n为正整数。
进一步地，所述磁致旋光晶体为任意一种磁光法拉第晶体。
本发明基于量子弱测量的弱磁场强度测量分析方法，采用上述的基于量子弱测量的弱磁场强度测量分析***，所述的方法包括：
由发光装置发出的光经光强调节器、前偏振态制备器、谐振腔前镜、磁致旋光晶体、谐振腔后镜、共焦前凸透镜入射到三棱镜，入射界面产生反射光束，反射光束经后偏振态选择器和共焦后凸透镜准直后由光接收装置接收；通过光接收装置记录反射光束质心横移距离，将其作为反射光束光子自旋***值<y>；
一束平面偏振光通过置于磁场中的磁光法拉第晶体后，平面偏振光的偏振面就会随着平行于光线方向的磁场发生旋转；旋转的这个角度称之为法拉第旋转角，此角度可在谐振腔中进行反复叠加从而达到放大效果；
光束经过偏振态制备器后的偏振状态为水平态|H>，在光学谐振腔中法拉第效应不断产生并在每次通过磁致旋光晶体时累加旋光角△。谐振腔***稳定后可得到谐振腔出射光束态，也即三棱镜的入射态。当旋光角△趋近于零时，根据如下公式(i)获得入射到三棱镜的入射光束前选择量子态|Ψi>：
|ψi>＝cosα|H>+sinα|V>
(i)
此处|H>、|V>分别代表水平、垂直偏振态；
α为经过谐振腔后的偏振状态与水平状态夹角，并由下式给出：
其中Rc为谐振腔反射率,由法拉第效应产生的旋光角Δ＝VBL，V为维德尔常数，B为外加磁场，L为法拉第晶体长度；
经过棱角反射后，反射矩阵表示为
rs、rp是光从空气进入棱镜时，在棱镜表面发生反射时的Fresnel 反射系数，
式中θ是光束在空气－棱镜界面的入射角；
其中
如式，将自旋－轨道算符进行变换
联立式(iii)(iv)，|Ψf>由此可变化为
其中A′ω定义为弱值，
根据|Ψf>计算光子自旋***值<y>：
根据记录的<y>，联立(i)～(vi)计算出磁场强度B。
借由上述方案，本发明基于量子弱测量的弱磁场强度测量分析仪及方法至少具有以下优点：
1、本发明基于量子弱测量技术，在测量光路中，以入射光路中的前选择量子态与反射光路中的后选择量子态之间构造量子弱测量光路，通过调整入射光束和反射光束偏振态，可以使反射光束自旋***值扩大104倍，从而实现对待测点磁场强度极小改变的测量，为研制高灵敏度弱磁场传感器提供了很好的研发思路，具有良好的应用前景；
2、本发明提供的量子弱测量技术是一种新型的无损的直接量子态测量技术，专注于可观测物理量(例如光子自旋)本身引起的量子态改变，而对外界的干扰不敏感，使其在测量过程中引入的扰动非常小，实现弱磁场在正常状态下高精度、高灵敏度的测量，有望在单分子层面实现对磁场的测定；
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是本发明基于量子弱测量的弱磁场强度测量分析仪结构示意图；图中，1.光源；2.光强调节器；3.前偏振态制备器；4.谐振腔前镜；5.磁致旋光法拉第晶体；6.谐振腔后镜；7.共焦前凸透镜；8. 玻璃三棱镜；9.后偏振态选择器10.共焦后凸透镜；11.光接收装置；
图2是本发明利用弱值放大技术测量弱磁场强度的理论和实验数据。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明介绍了一种基于量子弱测量的弱磁场传感器，通过定义 CCD所接收光斑并计算其质心位置作为弱磁场传感的新参数，利用量子弱测量的弱值放大特性以及谐振腔的放大效果来增强此光质心位移，从而使其对弱磁场的灵敏度可达10-9T以上，并且具有极小的背景噪声。采用该光学测量仪，能够测量某一位置一个方向上的磁场强度，特别是对于较弱磁场；该光学测量仪还通过引入光学谐振腔，大幅提高了测量精度。可适用于高精度磁效应、生物医学分析，并可用于制作高灵敏度弱磁场传感器等。
实施例1
下面将结合附图，对本发明进行详细的描述。
参见图1所示，本实施例基于量子弱测量的弱磁场强度测量分析仪，包括：1是准直光源偏振光源，比如：激光器，激光二极管，超辐射发光二级管，白光光源，压缩态光源，纠缠光子源等。2是能量调节器，比如：二分之一波片，通过调节二分波片透振方向与入射光偏振方向的夹角实现对光能量的调节；比如：中性衰减片对光能量的衰减。3为前偏振态制备器，比如：格兰激光偏振棱镜、偏振分光镜、沃拉斯棱镜；再比如：偏振器与相位延迟器的组合，偏振器与四分之一波片的组合，偏振器与巴比涅相位补偿器的组合，以构造合适的前选择量子态。4、6分别为谐振腔的前、后反射镜，其反射率可达到 0.999以上。5为磁光法拉第晶体，比如：TGG晶体等，一束平面偏振光通过置于磁场中的磁光法拉第晶体后，平面偏振光的偏振面就会随着平行于光线方向的磁场发生旋转，并在谐振腔中进行反复叠加。 7为凸透镜，使***行光束发散。8是棱镜，比如直角棱镜，用于产生自旋***。9是后偏振态选择器，比如：格兰激光偏振棱镜、偏振分光镜、渥拉斯顿棱镜等，或者偏振器与相位延迟器的组合，如偏振器与多种波片的组合，偏振器与相位补偿器的组合等，以构造合适的后选择量子态，并使后选择量子态与前选择量子态接近垂直，以保证足够的量子弱值放大效应，实现高精度和高灵敏度的测量。10为与7 共焦的凸透镜，使进入光电探测器11的光束为准直光束。11是光电探测器，比如CCD等，用于探测弱的光强度信号从而计算出光质心位置。
上述基于量子弱测量的光学测量仪工作原理为：由光源发生器发出的激光依次经能量调节器、前偏振态制备器、谐振腔(包含法拉第晶体)、共焦前凸透镜以布鲁斯特角入射到棱镜的光入射面，产生反射光束，从棱镜反射出的反射光束依次经后偏振态选择器、共焦后凸透镜由光探测器接收。
入射到棱镜光入射面的光束偏振态为前选择量子态，反射光束经后偏振态选择器后的光束偏振态为后选择量子态；入射光路中的前选择量子态与反射光路中的后选择量子态之间构成量子弱测量光路部分；调整偏振态制备器、偏振态选择器，从而使后选择量子态与前选择量子态接近垂直，夹角为90°±△’(△’不大于5°)。
如图1所示，采用弱值放大传感技术测定弱磁场变化：准直光束 1为线偏振的激光，经过二之一波片作为能量调节器2、格兰激光偏振器作为前偏振态制备器3、TGG晶体作为磁光法拉第晶体5、一对反射率为98％的高反射镜组成谐振腔4和6、共焦前透镜7，以接近布儒斯特角的入射角入射到空气－棱镜界面8，反射光通过格兰激光偏振器作为后偏振态选择器9、共焦后凸透镜10准直后，进入光电探测器11，记录信号强度。
实施例2
本实施例基于量子弱测量技术，采用实施例1提供的基于量子弱测量的光学测量仪，对弱磁场进行测量分析，步骤如下：
(1)获得入射到三棱镜的入射光束前选择量子态|Ψi>：
|ψi>＝cosα|H>+sinα|V>
此处|H>、|V>分别代表水平、垂直偏振态，
α为经过谐振腔后的偏振状态与水平状态夹角，并由下式给出：
其中Rc为谐振腔反射率,由法拉第效应产生的旋光角Δ＝VBL，V为维德尔常数，B为外加磁场，L为法拉第晶体长度。
磁光法拉第晶体可选用铽镓石榴石(TGG)晶体，一束平面偏振光通过置于磁场中的磁光法拉第晶体后，平面偏振光的偏振面就会随着平行于光线方向的磁场发生旋转。旋转的这个角度称之为法拉第旋转角，此角度可在谐振腔中进行反复叠加从而达到放大效果。
经过棱角反射后，反射矩阵可以表示为rs、rp是光从空气进入棱镜时，在棱镜表面发生反射时的Fresnel反射系数， 式中θ是光束在空气－棱镜界面的入射角。
其中如下式，将自旋－轨道算符进行变换
联立式(iii)(iv)，|Ψf>由此可变化为
其中A′ω定义为弱值，
根据|Ψf>计算光子自旋***值<y>：
其中δ＝(δH+α2η2δV)/(1+α2η2)，
δH＝(1+η)cotθi/k
(6)根据步骤(1)记录的<y>，联立(i)～(vi)计算出磁场强度B，十组数据结果如下图所示(其中蓝色实心点表示实验结果，虚线为理论曲线)。
本发明的思路，将待测位置的磁场通过磁光法拉第效应转换为与光子自旋***相关的测量量，由于光子自旋***对旋光角度都非常敏感，却对光源的波动性和环境噪声不敏感，因此可以很好的抑制噪声，提高测量精度。光子的自旋***可通过量子弱测量放大(表现为通过前、后偏振态后，探测器上光斑的质心位置，即光斑依据能量分布计算得到的能量重心位置)，进行精确测定，从而高精度的获得待测位置沿光路方向的磁场强度。
基于上述分析，本发明旨在研发一种装置，光束穿过光学谐振腔并入射到棱镜表面、经棱镜表面反射，通过调整入射光束和反射光束的偏振态，使与偏振态相关联的自旋***值(即反射光束质心质心相对于样品介质界面处光束能量重心的横移距离，简称反射光束质心横移距离)扩大，从而可以对其进行精确测定，再依据测定的反射光束自旋***值，计算获得旋光角度。而待测点沿光路方向的磁场强度与所测的旋光角度相关，可以由磁光法拉第效应公式计算得到，因此可以基于量子弱测量技术确定的自旋***值来精确测定待测点沿光路方向的磁场强度。
上述各实施例中，谐振腔前镜和谐振腔后镜构成光学谐振腔，实现对磁光旋转角的放大效应，可根据待测磁场的强弱选择是否加入此谐振腔，以及谐振腔的品质因数。此方法同样适用于其他类型的偏振态旋转角测量，例如对于手性溶液所产生的与光束通过方向有关的偏转角，只需将谐振腔改为三角形的形状。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于量子弱测量的弱磁场强度测量分析仪，其特征在于，包括：激光发射装置，激光发射器输出的激光依次经过的光发生装置、光强调节器、前偏振态制备器、谐振腔前镜、磁光法拉第晶体、谐振腔后镜、前共焦凸透镜、玻璃三棱镜、后偏振态制备器及后共焦凸透镜输出的光束输入光接收装置；
发光装置出射的光束经光强调节器、前偏振态制备器、谐振腔及其中的磁致旋光晶体、共焦前凸透镜后入射到玻璃三棱镜的光束偏振态为前选择量子态，在玻璃三棱镜处产生反射光束，反射光束经后偏振态制备器出射的偏振态为后选择量子态，再经共焦后凸透镜变为准直光束，进入光接收装置记录光束的光强；
入射光路中的前选择量子态与反射光路中的后选择量子态之间构成量子弱测量光路部分；调整前偏振态制备器、后偏振态选择器，从而使后选择量子态与前选择量子态接近垂直，夹角为90°±△’，△’不大于5°。
2.根据权利要求1所述的基于量子弱测量的弱磁场强度测量分析仪，其特征在于，谐振腔前镜和谐振腔后镜构成光学谐振腔，实现对磁光旋转角的放大效应。
3.根据权利要求1所述的基于量子弱测量的弱磁场强度测量分析仪，其特征在于，所述前偏振态制备器为偏振器或者偏振器与四分之一波片、相位补偿器组合中的一种；
所述后偏振态选择器为偏振器或者偏振器与四分之一波片、相位补偿器组合中的一种；
所述偏振器为格兰激光偏振棱镜或偏振分光镜。
4.根据权利要求1所述的基于量子弱测量的弱磁场强度测量分析仪，其特征在于，所述光接收装置为实现弱光探测的电荷耦合元件、光谱仪、光电倍增管、位置敏感探测器、四象限探测器中的一种。
5.根据权利要求1所述的基于量子弱测量的弱磁场强度测量分析仪，其特征在于，所述光学谐振腔前镜及谐振腔后镜为一组高反射率透镜，控制腔长为(n/2+1/4)λ，使腔输出强度达到峰值，其中n为正整数。
6.根据权利要求1所述的基于量子弱测量的弱磁场强度测量分析仪，其特征在于，所述磁致旋光晶体为任意一种磁光法拉第晶体。
7.一种基于量子弱测量的弱磁场强度测量分析方法，其特征在于，采用权利要求1至6任一所述的基于量子弱测量的弱磁场强度测量分析***，所述的方法包括：
由发光装置发出的光经光强调节器、前偏振态制备器、谐振腔前镜、磁致旋光晶体、谐振腔后镜、共焦前凸透镜入射到三棱镜，入射界面产生反射光束，反射光束经后偏振态选择器和共焦后凸透镜准直后由光接收装置接收；通过光接收装置记录反射光束质心横移距离，将其作为反射光束光子自旋***值<y>；
一束平面偏振光通过置于磁场中的磁光法拉第晶体后，平面偏振光的偏振面就会随着平行于光线方向的磁场发生旋转；旋转的这个角度称之为法拉第旋转角，此角度可在谐振腔中进行反复叠加从而达到放大效果；
光束经过偏振态制备器后的偏振状态为水平态|H>，在光学谐振腔中法拉第效应不断产生并在每次通过磁致旋光晶体时累加旋光角△。谐振腔***稳定后可得到谐振腔出射光束态，也即三棱镜的入射态。当旋光角△趋近于零时，根据如下公式(i)获得入射到三棱镜的入射光束前选择量子态|Ψi>：
|ψi>＝cosα|H>+sinα|V>
(i)
此处|H>、|V>分别代表水平、垂直偏振态；
α为经过谐振腔后的偏振状态与水平状态夹角，并由下式给出：
其中Rc为谐振腔反射率,由法拉第效应产生的旋光角Δ＝VBL，V为维德尔常数，B为外加磁场，L为法拉第晶体长度；
经过棱角反射后，反射矩阵表示为
rs、rp是光从空气进入棱镜时，在棱镜表面发生反射时的Fresnel反射系数，
式中θ是光束在空气－棱镜界面的入射角；
其中
如式，将自旋－轨道算符进行变换
联立式(iii)(iv)，|Ψf>由此可变化为
其中A′ω定义为弱值，
根据|Ψf>计算光子自旋***值<y>：
根据记录的<y>，联立(i)～(vi)计算出磁场强度B。
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