CN106483478A - 一种基于新型量子弱测量的高精密磁场计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于新型量子弱测量的高精密磁场计，其包括：LED白光源，用于产生与磁场相互作用的宽谱光子；初态制备系统，用于将LED光源产生的宽谱光子准直，并将宽谱光子的偏振态制备到所需量子态上；磁光耦合系统，用于将宽谱光子所制备的量子态和磁场耦合后输出；探测系统，用于将宽谱光子圆偏振态转化为线偏振态，并在线偏振态中的水平和竖直偏振之间引入一个稳定的偏置相位差，从而将系统的工作点设置于最敏感区域；再进行偏振态投影从而对宽谱光子进行后选择，测量后选择出宽谱光子的光谱分布；通过比照光谱分布的变化，从而测算出磁光耦合系统所处位置磁场强度的变化。该方案利用特定的偏置相位差改变了传统弱测量的工作点，极大提高了测量精度。相比较超导量子干涉磁场计，可以达到相近分辨率且无需低温装置和干涉装置，成本低廉且工作状态稳定。

Description

一种基于新型量子弱测量的高精密磁场计

技术领域

本发明涉及精密测量领域，尤其涉及一种基于新型量子弱测量的高精密磁场计。

背景技术

利用物理学的基本原理实现高精密测量是推动物理学本身和精密测量技术发展的重要驱动力，尤其是基于光学原理和技术的高精密测量方法已经可以用来测量引力波造成的微小相位扰动和实现超越衍射极限的成像。弱测量是从量子力学基本原理出发，用来放大微弱信号的一个有效手段，它在消耗大量的测量样本的同时可以带来更高的信噪比，具有经典方法无法达到的分辨能力。

测量的含义就是把物体的某一性质，也就是物理学上说的可观测量，通过与另外一个物体，也就是“尺子”的某个可观测量进行比较给予量化。测量是人类认知物理世界的基本手段，测量能力的一个重要指标就是分辨率。在高精密测量中，为了提高分辨率，很多情况下光被选择作为这把“尺子”。这主要是由于光有以下几方面的优点。首先，光子可以携带信息以光速传播，适合进行大空间尺度的观测。其次，光子可以与物质产生相互作用，可以用来探测物质内部的各种属性，比如自旋，能级分布等。更重要的是，光子本身的可观测物理量，比如相位，与系统作用后产生的微小变化可以转化为光子数的变化，从而被精确的测定。所以测定光的相位差对于高精密测量是很重要的一个技术手段。因为物理学中相位差是和干涉效应紧密联系在一起的，而干涉结果的测量可以有很多成熟和精密的光学电学手段。所以利用光学干涉的方法来测量光的相位变化，从而来测定引起这个相位变化的物理量是实现高精密测量有效方法。激光干涉测量引力波和潜艇光纤陀螺导航仪都是光干涉精密测量成功应用的范例。

弱测量最初是由Aharonov,Albert,and Vaidma在1988年提出。虽然由弱测量中弱值的概念看上去只是由一系列数学上的表达式演变出来的理论游戏，但是在之后的若干实验工作中它被证明是具有真实物理意义并可以用来解决实际测量问题的。

光子的相位差可以被当作一把尺子，如果系统的某个物理参数可以与光子的相位差产生耦合，就可以通过这尺子被精确的测量出来。磁光晶体是可以一种把磁场和光产生相互作用的晶体，对于不随时间而变化的直流磁场的测量。常用的测量仪器有以下7种：力矩磁强计、磁通计和冲击检流计、旋转线圈磁强计、磁通门磁强计、霍耳效应磁强计、核磁共振磁强计与磁位计；但是，这些测量仪器的测量精度并不高。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于新型量子弱测量的高精密磁场计，利用特定的偏置相位差改变了传统弱测量的工作点，极大提高了测量的精度。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于新型量子弱测量的高精密磁场计，包括：LED白光源、光子初态制备系统、磁光耦合系统以及探测系统；其中：

所述LED白光源，用于产生与磁场相互作用的宽谱光子；

所述初态制备系统，用于将LED光源产生的宽谱光子准直，并将宽谱光子的偏振态制备到所需量子态上；

所述磁光耦合系统，用于将宽谱光子的量子态和磁场耦合后输出；

所述探测系统，用于将宽谱光子圆偏振态转化为线偏振态，并在线偏振态中的水平和竖直偏振之间引入一个稳定的偏置相位差，从而将系统的工作点设置于最敏感区域；再进行偏振态投影从而对宽谱光子进行后选择，测量后选择出宽谱光子的光谱分布；通过比照光谱分布的变化，从而测算出磁光耦合系统所处位置磁场强度的变化。

所述初态制备系统包括：准直透镜组与第一Wollaston棱镜；

所述准直透镜组，用于将LED光源产生的宽谱光子准直；

所述第一Wollaston棱镜，用于将准直后的宽谱光子态制备到左旋偏振L与右旋偏振R的量子叠加态。

所述磁光耦合系统为磁光晶体，磁光晶体放置为平行于磁场方向。

所述探测系统包括：1/4-1/2波片组、1/2波片组、第二Wollaston棱镜以及光谱仪；其中：

所述1/4-1/2波片组，用于将宽谱光子从左旋偏振L与右旋偏振R的量子叠加态转换成水平和竖直偏振的线偏振态；

所述1/2波片组，用于在光子水平和竖直偏振态之间引入一个稳定的偏置相位差，从而将系统的工作点设置于最敏感区域；

所述第二Wollaston棱镜，用于进行偏振态投影从而对宽谱光子进行后选择；

所述光谱仪，用于测量后选择出宽谱光子的光谱分布，通过比照光谱分布的变化，从而测算出磁光耦合系统所处位置磁场强度的变化。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，无需要精密的电子时间分辨设备；对光源要求低，只需要一个LED灯而无需使用激光；没有干涉和相位匹配需要，对环境稳定性要求低；精度高，误差随着光子数积累增多，可以达到标准量子极限；此外，整磁场计中也没有使用光学干涉仪，因而稳定性十分可靠，相比传统的弱测量方案，精度可以提高两个数量级以上。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于新型量子弱测量的高精密磁场计的示意图；

图2为本发明实施例提供的一种光谱仪的内部结构示意图；

图3为本发明实施例提供的工作点区域光谱分布演化图；

图4为发明实施例提供的时间分辨能力曲线。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

图1为本发明实施例提供的一种基于新型量子弱测量的高精密磁场计的示意图。如图1所示，其主要包括：LED白光源11、光子初态制备系统、磁光耦合系统以及探测系统；其中：

所述LED白光源11，用于产生与磁场相互作用的宽谱光子；

所述初态制备系统，用于将LED光源产生的宽谱光子准直，并将宽谱光子的偏振态制备到所需量子态上；

所述磁光耦合系统，用于将宽谱光子所制备的量子态和磁场耦合后输出；

所述探测系统，用于将宽谱光子圆偏振态转化为线偏振态，并在线偏振态中的水平和竖直偏振之间引入一个稳定的偏置相位差，从而将系统的工作点设置于最敏感区域；再进行偏振态投影从而对宽谱光子进行后选择，测量后选择出宽谱光子的光谱分布；通过比照光谱分布的变化，从而测算出磁光耦合系统所处位置磁场强度的变化。

本发明实施例中，所述初态制备系统包括：准直透镜组12与第一Wollaston棱镜13；所述准直透镜组12，用于将LED光源产生的宽谱光子准直；所述第一Wollaston棱镜13，用于将准直后的宽谱光子态制备到水平偏振H的线偏振态上，也可以看成左旋偏振L与右旋偏振R的量子叠加态。

本发明实施例中，所述磁光耦合系统为磁光晶体14(法拉第磁光晶体)，磁光晶体14放置为平行于磁场方向。

本发明实施例中，所述探测系统包括：1/4-1/2波片组15、1/2波片组16、第二Wollaston棱镜17以及光谱仪18；其中：

所述1/4-1/2波片组15，用于将宽谱光子从左旋偏振L与右旋偏振R的量子叠加态转换成水平和竖直偏振的线偏振态；

所述1/2波片组16，用于在光子水平和竖直偏振态之间引入一个稳定的偏置相位差，从而将系统的工作点设置于最敏感区域；

所述第二Wollaston棱镜17，用于进行偏振态投影从而对宽谱光子进行后选择；

所述光谱仪18，用于测量后选择出宽谱光子的光谱分布，通过比照光谱分布的变化，从而测算出磁光耦合系统所处位置磁场强度的变化。

以上为本发明实施例提供的高精密磁场计主要组成结构，为了便于理解，下面针对其工作原理做进一步介绍。

如图2所示，LED光源11发出的白光为球面波前的发散光，因而可以近似看作为一个点光源。该磁场计中的准直透镜组12中两片消色差透镜的距离约为两个透镜的焦距之和，其中一个放置于可前后移动平移台上，通过调节前后位置可使白光源照射在透镜上的光整形为近似平行光束。因为LED光源的出射光偏振为混偏态，所述第一Wollaston棱镜13会将这些光子分为水平偏振(H)和竖直偏振光(V)，并在空间上分开。遮挡住竖直偏振光后，留下的水平偏振光(H)可以等效为右旋(R)和左旋(L)偏振的叠加态(R+L)，并穿过磁光晶体14。磁光晶体14为一长圆柱型晶体，放置方向与需要测量的磁场方向相平行。当有磁场存在时，磁光效应会在左右旋圆偏振光分量间引入一个与磁场强度成正比的相位差δ，光子态演化为R+L*exp(iδ)，通过测量这个相位差，即可推算出磁场强度。具体方法如下：假设磁光晶体对于左旋和右旋偏振光的折射率分别为n_L和n_R,左旋和右旋偏振光经过晶体后产生的相位差为δ＝(n_L-n_R)ωL/c，对应的线偏振光旋转角度为(n_L-n_R)ωL/2c，其中ω为光的频率，L为晶体长度，c为真空光速。当磁光晶体的费尔德常数V确定后，长度为L的晶体旋光角度为VBL，其中B为磁场强度，从以上结果可以得到δ＝2VBL。

1/4-1/2波片组15将左，右旋偏振光分别转换为水平，竖直偏振光，光子态演化为H+V*exp[iδ]。1/2波片组16中第一片1/2波片的e轴处于水平方向，第二片1/2波片的e轴处于竖直方向，当两个波片表面平行时对光子态不进行任何改变。通过绕竖直方向旋转第二片1/2波片，可以在水平和竖直偏振态之间引入一个偏置相位差Δ，光子态演化为H+V*exp[i(δ+Δ)]。第二Wollaston棱镜17用于检偏，将光子态投影到H+V*exp[π-ε]。由于检偏态与光子入射态接近于正交，只有极少数的光子被后选择出来进入光谱仪18。

为了达到极限的分辨能力，需要通过引入偏置相位差将整个系统设置在最敏感的工作点上。这个工作点由后选择光子的光谱分布确定。具体做法如下：通过调节1/2波片组引入的相位差Δ，并观测相应的后选择光子光谱分布情况，直到产生如图3所示的光谱干涉相消现象，也就是在原先的光谱上出现一个干涉相消的零点。随着Δ增加，零点会从高频方向出现扫过整个光谱范围。通过计算可知，当零点处于光谱分布的中心点时，系统将具有最高的灵敏度。

按以上所述方法将整个系统设置于工作点之后，如果磁场发生改变，磁光晶体引入的相位差δ也会产生变化，干涉相消点产生偏移，通过测算光谱的平均位置，可以推算出δ变化的大小，再由δ＝2VBL推算出磁场的变化。

本发明实施例中精确控制所述1/2波片组16两片1/2波片的相对倾角，因为当倾角引入的偏置相位差Δ非常精确且稳定时，才能将系统稳定在最灵敏的工作点，此时所有的相位差变化都将由磁场变化引起。同时，本发明实施例中误差主要由光谱仪CCD(电荷耦合元件)的测量积分时间决定，时间越长，积累的光子数越多，产生的随机误差就越小。

本发明实施例无需要精密的电子时间分辨设备；对光源要求低，只需要一个LED灯而无需使用激光；没有干涉和相位匹配需要，对环境稳定性要求低；精度高，误差随着光子数积累增多，可以达到标准量子极限。

为了进一步介绍本发明，本发明实施例例举具体的数值对该装置中的元件参数进行介绍；需要说明的是，所例举的元件参数数值仅为便于理解本发明，并非构成限制；在实际应用中，用户可以根据需求或经验采用不同参数的元件。

本发明实施例中LED光源11可以为中心波长800nm，谱宽为100nm，功率3W。准直透镜组12两片透镜的焦距为10cm,第一片透镜的直径为5.08cm,第二片透镜直径为2.54cm且放置于可前后移动的一维手动可调平移台上。第一片透镜距LED光源11的距离大约为20cm,调节第二片透镜与第一片的相对位置，直到出射的光束接近于平行光束。

本发明实施例中，第一Wollaston棱镜13为方解石材质，镀700－900纳米增透膜，形状为立方体，通光口径为10mm,偏振消光比为100000：1。。

本发明实施例中，磁光晶体14为圆柱形TGG晶体(铽镓石榴石)，费尔德常数V～100rad/T·m。通光口径10mm,长度为10cm，镀700－900纳米增透膜。

本发明实施例中，1/4-1/2波片组15为装置在旋转镜架中的1英寸零阶圆形波片，镀700－900纳米增透膜。1/4波片的e轴处于水平位置，1/2波片的e轴与水平方向夹角为22.5度。

本发明实施例中，1/2波片组16为装置在旋转镜架中的1英寸真零阶圆形波片，镀700－900纳米增透膜。第一波片的e轴处于水平位置，第二波片的e轴与水平方向夹角为90度且放置在可绕竖直方向转动的旋转台上。

本发明实施例中，第二Wollaston棱镜17为方解石材质，镀700－900纳米增透膜，形状为立方体，通光口径为10mm,偏振消光比为100000：1。

本发明实施例的测量系统为一台光栅光谱仪18，该光栅光谱仪18的结构如图2所示，从狭缝处入射的聚焦光在进入光栅光谱仪后迅速发散，照射在距离狭缝1000毫米的一个尺寸为110*110毫米的第一凹面镜181上，该凹面镜的焦距为1000毫米，所以发散光经过该凹面镜反射后扩束为直径是原先5.5倍的平行光。扩束后的平行光照射到闪耀光栅183上，该光栅可线数为600线每毫米,闪耀波长1500纳米。被光栅衍射的光束经过第二凹面镜182聚焦后，照射在硅光电探测器ICCD184上。该探测器像素值为1024*256，响应波长为300－1000纳米。由此构成的光栅光谱仪的分辨率为0.008纳米。

在这些给定的元件参数下，通过计算得到本发明实施例的时间分辨能力如图4下方单点虚线所示(CDIWM Scheme)，横坐标ε的数值为第二Wollaston棱镜17检偏态H+V*exp[π-ε]中的参数。可以看到当ε较小时，本发明实施例的时间分辨率可以达到10^-24秒，比图4上方虚线所示常规的弱测量方法(SWM Scheme)高出两个数量级。

如果使用10cm长的TGG晶体，根据上述的各元件参数，可以计算出该装置对δ的分辨率达到10^-23秒，进而由公式δ＝2VBL可以推算出磁场分辨率可以达到10^-10特斯拉。这个结果已经达到现在最精密的超导量子干涉磁强计的精度，相比之下本发明的方案不需要低温，各种装置成本也较低。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种基于新型量子弱测量的高精密磁场计，其特征在于，包括：LED白光源、光子初态制备系统、磁光耦合系统以及探测系统；其中：

所述LED白光源，用于产生与磁场相互作用的宽谱光子；

所述初态制备系统，用于将LED光源产生的宽谱光子准直，并将宽谱光子的偏振态制备到所需量子态上；

所述磁光耦合系统，用于将宽谱光子的量子态和磁场耦合后输出；

所述探测系统，用于将宽谱光子圆偏振态转化为线偏振态，并在线偏振态中的水平和竖直偏振之间引入一个稳定的偏置相位差，从而将系统的工作点设置于最敏感区域；再进行偏振态投影从而对宽谱光子进行后选择，测量后选择出宽谱光子的光谱分布；通过比照光谱分布的变化，从而测算出磁光耦合系统所处位置磁场强度的变化。

2.根据权利要求1所述的一种基于新型量子弱测量的高精密磁场计，其特征在于，所述初态制备系统包括：准直透镜组与第一Wollaston棱镜；

所述准直透镜组，用于将LED光源产生的宽谱光子准直；

所述第一Wollaston棱镜，用于将准直后的宽谱光子态制备到左旋偏振L与右旋偏振R的量子叠加态。

3.根据权利要求1所述的一种基于新型量子弱测量的高精密磁场计，其特征在于，所述磁光耦合系统为磁光晶体，磁光晶体放置为平行于磁场方向。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于新型量子弱测量的高精密磁场计，其特征在于，所述探测系统包括：1/4-1/2波片组、1/2波片组、第二Wollaston棱镜以及光谱仪；其中：

所述1/4-1/2波片组，用于将宽谱光子从左旋偏振L与右旋偏振R的量子叠加态转换成水平和竖直偏振的线偏振态；

所述1/2波片组，用于在光子水平和竖直偏振态之间引入一个稳定的偏置相位差，从而将系统的工作点设置于最敏感区域；

所述第二Wollaston棱镜，用于进行偏振态投影从而对宽谱光子进行后选择；

所述光谱仪，用于测量后选择出宽谱光子的光谱分布，通过比照光谱分布的变化，从而测算出磁光耦合系统所处位置磁场强度的变化。