CN110286270B - 基于量子相干效应的体内电场测量装置 - Google Patents

基于量子相干效应的体内电场测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开的基于量子相干效应的体内电场测量装置，属于人体通信与电场测量的交叉领域。本发明包括半导体激光器及其控制单元、激光调控光路、光纤耦合原子气室电场探头和光电探测单元；所述激光器及其控制单元根据实际需求分别发射弱探测光和强耦合光；光纤耦合原子气室电场探头用于实现探测光和耦合光于光纤耦合原子气室同一端入射，即实现探测光和耦合光同向输入；激光调控光路分别对弱探测光和强耦合光的功率、频率和偏振态调整；光电探测单元实现对于EIT光谱的探测和显示。本发明通过光纤耦合原子气室电场探头使光纤穿透体内实现体内电场测量，从而促进植入式生物医疗系统在疾病诊断和治疗中的应用。

Description

基于量子相干效应的体内电场测量装置
技术领域
本发明涉及一种体内电场测量装置，具体涉及一种基于量子相干效应的体内电场测量装置，属于人体通信与电场测量的交叉领域。
背景技术
人体通信是一种将人体作为信号传输的介质，连接可穿戴和植入式电子设备从而形成以人为中心的体域网技术。该技术按照电子设备是否置于人体体内，可将其划分为体外通信和体内通信。其中，人体体内通信是人体通信的重要研究方向之一，其在植入式生物医疗领域具有广泛的应用。
近年来，植入式生物医疗系统在疾病诊断和治疗中发挥着重要的作用。越来越多的微/纳米植入物通过外科手术植入或注射到患有糖尿病、慢性高血压、冠心病和神经肌肉功能障碍等患者体内。患有多种疾病的患者存在同时植入多个植入物的情况。这些植入物通常需要以同步或协调的方式工作以实现指定的医疗目标。随着此类临床应用需求的快速扩展，植入式生物医疗系统面临以下三个潜在问题：(1)人体体内可能植入多个电子医疗植入物，这些植入物产生的电磁场对彼此的正常工作和通信造成了干扰；(2)由于电器和移动电信设备的广泛使用，人类暴露于复杂电磁场的情况空前增加，体外复杂的电磁场对体内植入物的正常工作和通信也造成了干扰；(3)电子医疗植入物作为场源辐射出的电磁场和体外复杂的电磁场同时对人体健康构成威胁。因此，为了有效的解决上述问题同时也为了更好的促进植入式生物医疗系统在疾病诊断和治疗中的应用。需要对人体体内的电磁场进行测量，从而定量的衡量体内和体外电磁场源对电子植入物的干扰和对人体健康的影响。
目前，一般采用天线进行电磁场测量，该方法具有以下不足：(1)天线探头需要校准；(2)天线探头的灵敏度受限于其长度，天线探头的长度一般要与被测电磁场的波长相当(λ≤L≤λ/4)；(3)金属天线探头会对待测电磁场产生扰动；(4)由于溯源路径长，环境电磁场对其干扰造成测量不确定度大(5％-10％(0.5-1dB))。(5)测量灵敏度不够。
传统的基于量子相干效应的电场测量方法中，制备里德堡原子的激光都是采用纯光路的方式。这对于测量人体体内电场存在以下问题：(1)制备里德堡原子的激光以纯光路的方式无法穿透人体。
MATT T.Simons等提出的光纤耦合原子气室电场探头，其探测光和耦合光是从原子气室的两端入射(即相对入射)。该方法应用于人体体内电场测量中，出现(1)占用测量空间过大；(2)原子气室两端的光纤过度弯曲，造成光纤内部应力变化过大影响探测光和耦合光的性能进而影响人体体内电场测量的精度与灵敏度。上述问题阻碍了该技术应用于人体体内电场的测量。
发明内容
针对体内的电场强度微弱、植入式电参量测量空间受限、传统的基于量子相干效应的电场测量中制备里德堡原子的激光以纯光路的方式无法穿透人体。而现有光纤耦合原子气室电场探头中，探测光和耦合光相对入射，应用于体内电场测量中，出现(1)占用测量空间过大；(2)原子气室两端的光纤过度弯曲，造成光纤内部应力变化过大影响探测光和耦合光的性能进而影响体内电场测量的精度与灵敏度等问题。本发明公开的基于量子相干效应的体内电场测量装置，通过光纤耦合原子气室电场探头使光纤穿透体内实现体内电场测量；通过探测光和耦合光于光纤耦合原子气室电场探头一端入射(即同向输入)，避免光纤耦合原子气室电场探头进入体内时造成保偏光纤的大幅度弯折，进而提高光纤耦合原子气室电场探头于体内电场测量的灵敏度、并降低不确定度；此外，通过探测光和耦合光于光纤耦合原子气室电场探头的一端入射还能够提高光纤耦合原子气室电场探头于体内电场测量的灵活性，缩小测量所需空间。
所述的体内包括人体体内、动物体内。
由于本发明提出的光纤耦合原子气室电场探头使光纤穿透体内实现体内电场测量，从而促进植入式生物医疗系统在疾病诊断和治疗中的应用。
本发明目的是通过下述技术方案实现。
本发明公开的基于量子相干效应的体内电场测量装置，包括半导体激光器及其控制单元、激光调控光路、光纤耦合原子气室电场探头和光电探测单元。所述激光器及其控制单元根据实际需求分别发射弱探测光和强耦合光。光纤耦合原子气室电场探头用于实现探测光和耦合光于光纤耦合原子气室同一端入射，即实现探测光和耦合光同向输入。激光调控光路分别对弱探测光和强耦合光的功率、频率和偏振态调整。光电探测单元实现对于EIT光谱的探测和显示。
弱探测光和强耦合光通过高反镜、二向色镜和吸光材料实现探测光和耦合光于光纤耦合原子气室同一端入射原子气室并作用于碱金属原子。探测光使碱金属原子从基态跃迁至中间态，耦合光使碱金属原子从中间态跃迁至里德堡态。探测光透过原子气室，作用于光电探测器并对探测光形成光谱。通过同一端入射的探测光和耦合光激发碱金属原子至里德堡态，进而使透过原子气室的探测光通过光电探测单元获得电磁感应透明效应EIT光谱。碱金属原子的里德堡态对外电场非常敏感，在外电场的耦合作用下，电磁感应透明效应EIT光谱会产生Autler-Townes(AT)劈裂，所述电磁感应透明效应EIT光谱AT劈裂宽度Δf与外电场|E|存在线性关系，基于所述线性关系实现体内电场测量。
所述电磁感应透明效应EIT光谱AT劈裂宽度Δf与外电场|E|存在线性关系如式(1)所示：
Figure GDA0002424677900000031
其中：|E|表示电场强度大小，
Figure GDA0002424677900000032
为普朗克常数，μ为跃迁矩阵元素，K＝λp/λc，λp是探测光波长，λc是耦合光波长，Δf为AT劈裂宽度。根据式(1)的线性关系实现基于量子相干效应的电场测量。
所述半导体激光器及其控制单元包括弱探测光激光器及其控制模块和强耦合光激光器及其控制模块。
所述光纤耦合原子气室电场探头包括，环形器、准直镜、高反镜、二向色镜、吸光材料、原子气室以及保偏光纤。所述环形器用于将同一条光纤中的出射探测光和入射耦合光分离，并使探测光和耦合光分别由不同的端口出射和入射。所述环形器具有三个端口，分别为第一、第二、第三端口。探测光通过第一准直镜耦合进入保偏光纤，经第二准直镜入射至原子气室内，再经过高反镜反射至二向色镜，通过二向色镜反射至第三准直镜，第三准直镜使二向色镜反射的探测光耦合入射保偏光纤内，而后，探测光由环形器第一端口入射并由第二端口出射至光电探测单元。二向色镜反射探测光时，耦合光通过第四准直镜耦合进入保偏光纤，从环形器的第三端口入射并由第一端口出射进入保偏光纤，耦合光由第一端口出射进入保偏光纤后，耦合光经第三准直镜入射至原子气室内，最后，入射至原子气室内的耦合光经二向色镜透射至吸光材料，由吸光材料将耦合光吸收。所述光纤耦合原子气室电场探头通过高反镜、二向色镜和吸光材料实现探测光和耦合光于光纤耦合原子气室同一端入射。
所述第二准直镜和第三准直镜分别安装于陶瓷套筒的上部和下部，而陶瓷套筒固定在原子气室的一端。
所述准直镜优选GRIN棱镜。
所述原子气室内部充有待激发的碱金属原子蒸汽，优选铷原子蒸汽。
所述吸光材料用于吸收经二向色镜头透射的耦合光，防止其出射至原子气室外，避免安全隐患发生。
为了保持激光的水平极化线偏振态，利用保偏光纤传输探测光或耦合光。
所述探测光和耦合光同向入射至原子气室内，并在二向色镜和第三准直镜之间的光路中共轴。
所述激光调控光路包括探测光和耦合光的偏振态调控模块、功率调控模块和锁频模块。所述三个模块共同实现探测光和耦合光的偏振态调控、功率调控和频率调控。所述偏振态调控模块主要由偏振分光棱镜PBS和λ/2波片共同构成作用于弱探测光或强耦合光，使弱探测光或强耦合光偏振态为高分光比的水平线偏振态。所述功率调控模块主要由分光镜(BS)、光电探测器(PD)、声光调制器(AOM)和PID电子控制模块构成。通过分光镜(BS)和光电探测器(PD)探测出探测光或耦合光的功率，而后声光调制器(AOM)配合PID电子控制模块实现探测光或耦合光的功率调控。在所述锁频模块中，探测光是由集成饱和吸收光谱模块实现锁频，而耦合光由外腔锁频技术实现锁频。
所述光电探测单元包括示波器、光电探测器和锁相放大器，所述示波器、光电探测器以及锁相放大器共同构成光电探测单元，实现对于EIT光谱的探测和显示。
本发明公开的基于量子相干效应的体内电场测量装置，通过光纤耦合原子气室电场探头使光纤穿透体内实现体内电场测量，从而促进植入式生物医疗系统在疾病诊断和治疗中的应用。
有益效果：
1、本发明公开的基于量子相干效应的体内电场测量装置，提供光纤耦合原子气室电场探头结构，基于光纤耦合原子气室电场探头通过光纤穿透体内实现体内电场测量。
2、本发明公开的基于量子相干效应的体内电场测量装置，光纤耦合原子气室电场探头中，探测光和耦合光都是由原子气室同一侧入射，有别于常规的原子气室电场探头(探测光和耦合光分别由原子气室两侧相对且共轴入射)，能够避免原子气室电场探头进入体内时，造成保偏光纤的大幅度弯折，从而改变其内部激光的参数(功率和偏振态等)导致原子气室电场探头的体内电场测量灵敏度低和不确定度高，即通过避免原子气室电场探头进入体内时，造成保偏光纤的大幅度弯折，提高光纤耦合原子气室电场探头体内电场测量的灵敏度、并降低不确定度；此外，通过探测光和耦合光于光纤耦合原子气室一端入射还能够提高光纤耦合原子气室体内电场测量的灵活性，缩小测量所需空间。
3、本发明公开的基于量子相干效应的体内电场测量装置，基于里德堡原子实现电场测量，因此具有里德堡原子电场测量的下述优点：里德堡原子具有大的极化率、低的场电离阈值和大的电偶极矩，对外部电磁场十分敏感，具有较高的测量灵敏度。其主要有优点包括：(1)利用里德堡原子的量子干涉效应测量电场强度的灵敏度(测量到最小的电场强度为8μV/cm)远高于传统天线探头测量电场的灵敏度；(2)不需要额外校准；(3)采用玻璃探头，无法对待测电场产生扰动；(4)灵敏度也不依赖于探头的物理尺寸，该方法的探头尺寸≤10mm×10mm×10mm。(5)测量不确定度小(约为1％)。
4、针对体内的电场强度微弱、植入式电参量测量空间受限、传统的基于量子相干效应的电场测量中制备里德堡原子的激光以纯光路的方式无法穿透人体。而现有光纤耦合原子气室电场探头中，探测光和耦合光相对入射，应用于体内电场测量中，出现(1)占用测量空间过大；(2)原子气室两端的光纤过度弯曲，造成光纤内部应力变化过大影响探测光和耦合光的性能进而影响体内电场测量的精度与灵敏度等问题。本发明公开的基于量子相干效应的体内电场测量装置，由于具有1、2、3所述的优点，因此，能够有效的解决现有技术测量体内电场中存在的问题，从而促进植入式生物医疗系统在疾病诊断和治疗中的应用。
附图说明
图1为本发明公开的基于量子相干效应的体内电场测量装置总体结构图。
图2为光纤耦合原子气室电场探头结构图。
图3为基于量子相干效应的人体体内电场测量图。
其中：1—第一准直镜、2—第二准直镜、3—原子气室、4—高反镜、5—吸光材料、6—二向色镜、7—第三准直镜、8—环形器、9—第四准直镜。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，以下结合附图对本发明的具体实施方式进行说明。
如图1所示，本实施例公开的基于量子相干效应的体内电场测量装置，包括半导体激光器及其控制单元、激光调控光路、光纤耦合原子气室电场探头和光电探测单元。探测光激光器及其控制模块发射一束波长为780nm的弱探测光，先后经过频率调控模块、偏振态调控模块和功率调控模块，使其成为稳定频率、水平线偏振态和稳定功率的探测光。同时，耦合光激光器及其控制模块发射一束波长为480nm的强耦合光，同样，先后经过频率调控模块、偏振态调控模块和功率调控模块，使其成为稳定频率、水平线偏振态和稳定功率的耦合光。而后(如图2所示，光纤耦合原子气室电场探头结构图)，探测光通过第一准直镜1耦合进入保偏光纤，经第二准直镜2入射至原子气室3内，再经过高反镜4反射至二向色镜6，通过二向色镜6反射至第三准直镜7，第三准直镜7使二向色镜反射的探测光耦合入射保偏光纤内，而后，探测光由环形器8第一端口入射并由第二端口出射至光电探测单元。二向色镜反射探测光时，耦合光通过第四准直镜9耦合进入保偏光纤，从环形器8的第三端口入射并由第一端口出射进入保偏光纤，耦合光由第一端口出射进入保偏光纤后，耦合光经第三准直镜7入射至原子气室3内，最后，入射至原子气室3内的耦合光经二向色镜6透射至吸光材料5，由吸光材料将耦合光吸收。
探测光和耦合光同向入射至原子气室内，并在二向色镜6和第三准直镜7之间的光路中共轴，共同作用将碱金属原子激发至里德堡态。如图3所示，人体体内内存在弱电场，由于里德堡态不稳定，人体体内的弱电场会使里德堡态能级发生改变。该变化经光电探测单元探测并显示AT劈裂的EIT光谱。而EIT光谱AT劈裂宽度Δf与外电场|E|存在线性关系，从而，根据该线性关系实现基于量子相干效应的人体体内电场测量。
本实施例公开的基于量子相干效应的体内电场测量装置，通过光纤耦合原子气室电场探头使光纤穿透体内实现体内电场测量，从而促进植入式生物医疗系统在疾病诊断和治疗中的应用。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.基于量子相干效应的体内电场测量装置，其特征在于：包括半导体激光器及其控制单元、激光调控光路、光纤耦合原子气室电场探头和光电探测单元；所述激光器及其控制单元根据实际需求分别发射弱探测光和强耦合光；光纤耦合原子气室电场探头用于实现探测光和耦合光于光纤耦合原子气室同一端入射，即实现探测光和耦合光同向输入；激光调控光路分别对弱探测光和强耦合光的功率、频率和偏振态调整；光电探测单元实现对于EIT光谱的探测和显示；
弱探测光和强耦合光通过高反镜、二向色镜和吸光材料实现探测光和耦合光于光纤耦合原子气室同一端入射原子气室并作用于碱金属原子；探测光使碱金属原子从基态跃迁至中间态，耦合光使碱金属原子从中间态跃迁至里德堡态；探测光透过原子气室，作用于光电探测器并对探测光形成光谱；通过同一端入射的探测光和耦合光激发碱金属原子至里德堡态，进而使透过原子气室的探测光通过光电探测单元获得电磁感应透明效应EIT光谱；碱金属原子的里德堡态对外电场非常敏感，在外电场的耦合作用下，电磁感应透明效应EIT光谱会产生Autler-Townes(AT)劈裂，所述电磁感应透明效应EIT光谱AT劈裂宽度Δf与外电场|E|存在线性关系，基于所述线性关系实现体内电场测量；
所述光纤耦合原子气室电场探头包括保偏环形器、准直镜、高反镜、二向色镜、吸光材料、原子气室以及保偏光纤；所述保偏环形器用于将同一条光纤中的出射探测光和入射耦合光分离，并使探测光和耦合光分别由不同的端口出射和入射；所述保偏环形器具有三个端口，分别为第一、第二、第三端口；探测光通过第一准直镜(1)耦合进入保偏光纤，经第二准直镜(2)入射至原子气室(3)内，再经过高反镜(4)反射至二向色镜(6)，通过二向色镜(6)反射至第三准直镜(7)，第三准直镜(7)使二向色镜反射的探测光耦合入射保偏光纤内，而后，探测光由保偏环形器(8)第一端口入射并由第二端口出射至光电探测单元；二向色镜(6)反射探测光时，耦合光通过第四准直镜(9)耦合进入保偏光纤，从保偏环形器(8)的第三端口入射并由第一端口出射进入保偏光纤，耦合光由第一端口出射进入保偏光纤后，耦合光经第三准直镜(7)入射至原子气室(3)内，最后，入射至原子气室(3)内的耦合光经二向色镜(6)透射至吸光材料(5)，由吸光材料(5)将耦合光吸收；所述光纤耦合原子气室电场探头通过高反镜、二向色镜和吸光材料实现探测光和耦合光于光纤耦合原子气室同一端入射。
2.如权利要求1所述的基于量子相干效应的体内电场测量装置，其特征在于：所述电磁感应透明效应EIT光谱AT劈裂宽度Δf与外电场|E|存在线性关系如式(1)所示：
Figure FDA0002424677890000021
其中：|E|表示电场强度大小，
Figure FDA0002424677890000022
为普朗克常数，μ为跃迁矩阵元素，K＝λp/λc，λp是探测光波长，λc是耦合光波长，Δf为AT劈裂宽度；根据式(1)的线性关系实现基于量子相干效应的电场测量。
3.如权利要求2所述的基于量子相干效应的体内电场测量装置，其特征在于：所述半导体激光器及其控制单元包括弱探测光激光器及其控制模块和强耦合光激光器及其控制模块。
4.如权利要求3所述的基于量子相干效应的体内电场测量装置，其特征在于：所述第二准直镜和第三准直镜分别安装于陶瓷套筒的上部和下部，而陶瓷套筒固定在原子气室的一端；
所述探测光和耦合光同向入射至原子气室内，并在二向色镜(6)和第三准直镜(7)之间的光路中共轴。
5.如权利要求4所述的基于量子相干效应的体内电场测量装置，其特征在于：所述准直镜为GRIN棱镜；
所述原子气室内部充有待激发的碱金属原子蒸汽，所述碱金属原子蒸汽为铷原子蒸汽；
所述吸光材料用于吸收经二向色镜(6)头透射的耦合光，防止其出射至原子气室外，避免安全隐患发生；
为了保持激光的水平极化线偏振态，利用保偏光纤传输探测光或耦合光。
6.如权利要求5所述的基于量子相干效应的体内电场测量装置，其特征在于：所述激光调控光路包括探测光和耦合光的偏振态调控模块、功率调控模块和锁频模块，三个模块共同实现探测光和耦合光的偏振态调控、功率调控和频率调控；所述偏振态调控模块主要由偏振分光棱镜PBS和λ/2波片共同构成作用于弱探测光或强耦合光，使弱探测光或强耦合光偏振态为高分光比的水平线偏振态；所述功率调控模块主要由分光镜BS、光电探测器PD、声光调制器AOM和PID电子控制模块构成；通过分光镜BS和光电探测器PD探测出探测光或耦合光的功率，而后声光调制器AOM配合PID电子控制模块实现探测光或耦合光的功率调控；在所述锁频模块中，探测光是由集成饱和吸收光谱模块实现锁频，而耦合光由外腔锁频技术实现锁频。
7.如权利要求6所述的基于量子相干效应的体内电场测量装置，其特征在于：所述光电探测单元包括示波器、光电探测器和锁相放大器，所述示波器、光电探测器以及锁相放大器共同构成光电探测单元，实现对于EIT光谱的探测和显示。
8.如权利要求1、2、3、4、5、6或7所述的基于量子相干效应的体内电场测量装置，其特征在于：通过光纤耦合原子气室电场探头使光纤穿透体内实现体内电场测量，从而促进植入式生物医疗系统在疾病诊断和治疗中的应用，解决相关工程问题。
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