CN109787082B - 基于稀土离子掺杂光学晶体的量子传感器及其用途 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种基于稀土离子掺杂光学晶体的量子传感器，其包含：稀土离子掺杂光学晶体；低温提供单元，其向稀土离子掺杂光学晶体提供低温工作环境；恒定磁场产生单元，其向稀土离子掺杂光学晶体施加恒定磁场；光场产生单元，其提供对稀土离子掺杂光学晶体进行光学泵浦使稀土离子处于自旋初态的光场，以及用于激发稀土离子掺杂光学晶体的拉曼散射的光场；脉冲磁场产生单元，其向稀土离子掺杂光学晶体施加垂直于恒定磁场的脉冲磁场，使稀土离子掺杂光学晶体产生自旋回波；和外差式拉曼散射光场探测分析单元，其探测并分析从稀土离子掺杂光学晶体辐射的拉曼散射光场。本公开还提供该量子传感器用于磁场传感、电场传感的用途和传感方法。

Description

基于稀土离子掺杂光学晶体的量子传感器及其用途

技术领域

本公开涉及量子传感器领域，尤其涉及一种基于稀土离子掺杂光学晶体的量子传感器及其用途。

背景技术

磁场测量具有悠久的发展历史，早在公元前三世纪，人们就利用指南针探测地磁场从而实现定向。在现代社会，磁场具有更广泛的应用，典型的例子有磁悬浮列车、磁存储、医学磁共振成像以及磁约束的核聚变装置等。相应地，人们也发展出多种新型的精密磁场测量技术，典型的例子有超导磁通干涉仪传感器、霍尔效应传感器、磁阻传感器以及磁共振传感器等。这些精密磁场测量技术已经在信息、工程、医学、物理学及空间科学等各种领域取得广泛的应用。

近年来，随着量子信息技术的发展，人们发展出了基于量子干涉的新型磁场测量技术。量子系统的相干性一般比较脆弱，极易受环境涨落的干扰，故基于量子干涉的磁场传感器相比传统的霍尔探头等传感器具有显著提升的灵敏度。

量子干涉型磁场传感器的一个典型的代表是基于金刚石NV色心的磁力计。这种传感器的基本原理是利用自旋回波现象，在自旋演化的过程中感受外磁场引起的相位演化。目前基于NV色心的磁场传感可以达到nT以下的灵敏度，可以实现微观尺度的磁共振成像，还可以实现单个神经元、单个蛋白质所产生磁场的探测，因此在物理，化学，生命科学等诸多领域有广泛应用前景。

然而，对于具有更高灵敏度和更广工作频段的量子传感器，仍存在着需要。

发明内容

为了实现上述目的，在一个方面，本公开提供一种基于稀土离子掺杂光学晶体的量子传感器，其特征在于，所述量子传感器包含：

稀土离子掺杂光学晶体；

低温提供单元，其向所述稀土离子掺杂光学晶体提供低温工作环境；

恒定磁场产生单元，其向所述稀土离子掺杂光学晶体施加恒定磁场；

光场产生单元，其提供对所述稀土离子掺杂光学晶体进行光学泵浦使稀土离子处于自旋初态的光场，以及用于激发所述稀土离子掺杂光学晶体的拉曼散射的光场；

脉冲磁场产生单元，其向所述稀土离子掺杂光学晶体施加垂直于所述恒定磁场的脉冲磁场，使所述稀土离子掺杂光学晶体产生自旋回波；和

外差式拉曼散射光场探测单元，其以光外差法探测并分析从所述稀土离子掺杂光学晶体受激辐射的拉曼散射光场。

在一个实施方案中，所述稀土离子掺杂光学晶体是Eu：YSO、Nd：YSO、Er：YSO、Pr：YSO或Tm：YSO晶体。

在一个实施方案中，所述光场产生单元包括：

激光器，其发出连续激光；和

光调制器，其将由所述激光器发出的连续激光调制为调制的光场。

在一个实施方案中，所述激光器是窄线宽激光器。

在一个实施方案中，所述光调制器是声光调制器。

在一个实施方案中，所述脉冲磁场产生单元包括：

矢量微波产生单元，其产生矢量微波脉冲；和

微波辐照线圈，其将所述矢量微波脉冲转化为所述脉冲磁场。

在一个实施方案中，所述脉冲磁场产生单元包括动力学解耦合序列控制装置。

在一个实施方案中，所述量子传感器还包括晶体取向调节装置。

在一个实施方案中，所述量子传感器包括使得拉曼散射的激发光两次穿过所述稀土离子掺杂光学晶体的光路。

在又一个方面，本发明提供所述的量子传感器用于磁场传感或电场传感的用途。

在又一个方面，本发明提供用所述的量子传感器进行电场传感的方法，所述方法包括：

用所述恒定磁场产生单元对所述稀土离子掺杂光学晶体施加恒定磁场，

用所述低温提供单元对所述稀土离子掺杂光学晶体施加1K至15K的温度，

用所述光场产生单元对所述稀土离子掺杂光学晶体施加泵浦光场，使稀土离子处于自旋初态，

使所述稀土离子掺杂光学晶体处于待测电场中，

用所述脉冲磁场产生单元使所述稀土离子产生自旋回波，

用所述光场产生单元对所述稀土离子掺杂光学晶体施加光场，激发所述稀土离子掺杂光学晶体的拉曼散射，以及

用所述外差式拉曼散射光场探测分析单元探测并分析从所述稀土离子掺杂光学晶体辐射的拉曼散射光场，并计算所述待测电场。

在一个实施方案中，所述恒定磁场与零一阶塞曼效应工作点的方向误差为0.001度以下且强度误差为0.005％以下。

在又一个方面，本发明提供用所述的量子传感器进行磁场传感的方法，所述方法包括：

用所述恒定磁场产生单元对所述稀土离子掺杂光学晶体施加恒定磁场，

用所述低温提供单元对所述稀土离子掺杂光学晶体施加1K至15K的温度，

用所述光场产生单元对所述稀土离子掺杂光学晶体施加泵浦光场，使稀土离子处于初态，

使所述稀土离子掺杂光学晶体处于待测磁场中，

用所述脉冲磁场产生单元使所述稀土离子产生自旋回波，

用所述光场产生单元对所述稀土离子掺杂光学晶体施加光场，激发所述稀土离子掺杂光学晶体的拉曼散射，以及

用所述外差式拉曼散射光场探测分析单元探测并分析从所述稀土离子掺杂光学晶体辐射的拉曼散射光场，并计算所述待测磁场。

在一个实施方案中，所述恒定磁场的强度偏离零一阶塞曼效应工作点0.1％至5％。

本发明的量子传感器将稀土离子掺杂光学晶体作为探针，通过光学泵浦作用得到初态，利用磁共振产生自旋回波，用激发光激发拉曼光谱，并使用光学拉曼外差探测的读取方式进行分析，可以实现高灵敏度的磁场、电场等测量。该量子传感器易于操作且稳定性高，并且具有宽频段工作的特点，可在精密测量领域广泛应用。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，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公开的一些实施例，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为本公开的量子传感器的一个实施例的原理示意图。

图2为本公开的一种基于稀土离子掺杂光学晶体的量子传感器的一个实施例的装置示意图；

图3为本公开的一种基于稀土离子掺杂光学晶体的量子传感器在一个实施例中实际测量磁场的结果图；

图4为本公开的一个实施例中的动力学解耦合序列提升磁场测量频率分辨率的结果图。

具体实施方式

下面结合本公开实施例中的附图，对本公开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公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开的实施例，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，都属于本公开的保护范围。

根据本公开的基本构思，提供一种基于稀土离子掺杂光学晶体的量子传感器，包括：

稀土离子掺杂光学晶体；

低温提供单元，其向所述稀土离子掺杂光学晶体提供低温工作环境；

恒定磁场产生单元，其向所述稀土离子掺杂光学晶体施加恒定磁场；

光场产生单元，其提供对所述稀土离子掺杂光学晶体进行光学泵浦使稀土离子处于自旋初态的光场，以及用于激发所述稀土离子掺杂光学晶体的拉曼散射的光场；

脉冲磁场产生单元，其向所述稀土离子掺杂光学晶体施加垂直于所述恒定磁场的脉冲磁场，使所述稀土离子掺杂光学晶体产生自旋回波；和

外差式拉曼散射光场探测分析单元，其以光外差法探测并分析从所述稀土离子掺杂光学晶体受激辐射的拉曼散射光场。

通过上述设置，构造了一种量子传感器。该量子传感器使用稀土离子掺杂光学晶体作为探针，通过光学泵浦作用得到稀土离子的自旋初态，利用磁共振产生自旋回波，用激发光激发拉曼光谱，并使用光学拉曼外差探测的读取方式进行分析，可以实现高灵敏度的磁场、电场等测量。其可以用于磁场传感、电场传感、压力传感等。

本公开实施例将列举具体的数值，对该装置中的元件参数进行介绍；需要说明的是，所列举的元件参数数值仅为便于理解本公开，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。

图1为本公开的量子传感器的一个实施方案的原理示意图。

本公开的量子传感器包括稀土离子掺杂光学晶体1。当工作时，稀土离子掺杂光学晶体1设置于由低温提供单元2提供的低温环境中及恒定磁场产生单元3产生的恒定磁场M_恒中。此处低温提供单元2的形式和位置仅是示意性的，其在实用中只要能对稀土离子掺杂光学晶体1提供所需的低温即可。低温提供单元可以是低温腔。而且，低温提供单元与恒定磁场产生单元可以是集成在一起的低温恒定磁场产生单元。在恒定磁场M_恒中，稀土离子掺杂光学晶体中稀土离子的核自旋的能级将发生分裂。此时，再通过脉冲磁场产生单元5对稀土离子掺杂光学晶体1施加垂直于M_恒的具有特定频率、相位和振幅的脉冲磁场M_脉，可以通过共振使稀土离子的核自旋处于激发状态。通过设置脉冲M_脉，可以产生自旋回波。若稀土离子掺杂光学晶体受到扰动(例如施加扰动磁场、电场等)，其自旋回波的相位也将相应发生变化。这种变化可以通过光学检测来进行分析。具体地，使用光场产生单元4向稀土离子掺杂光学晶体1施加调制过的光场，利用泵浦(pumping，或称抽运)作用使得稀土离子掺杂光学晶体1处于自旋初态。处于自旋初态的稀土离子经脉冲磁场激发后将产生自旋回波，在自旋回波发射的同时，施加单频的泵浦光场脉冲，稀土离子掺杂光学晶体1将产生拉曼散射光场，其被外差式拉曼散射光场探测单元6探测到。基于探测到的拉曼光场，通过解调分析得出核自旋回波。例如，相对于未受扰动的传感器的数据进行比较和计算，即可以获得关于扰动变化的信息，从而完成传感。

稀土离子掺杂光学晶体

稀土离子掺杂光学晶体1在本发明中作为量子传感器的传感探针。稀土离子掺杂光学晶体指的是含有稀土离子的光学晶体。其中稀土元素指化学元素周期表中镧系元素以及钇(Y)和钪(Sc)，光学晶体可以是任意的对本发明的光学探测波段来说透明的晶体。其实例可以为各种稀土离子(Pr、Eu、Nd、Eu、Yb、Er等)掺杂的光学晶体(YSO、YVO、YAG等)。本发明的发明人发现，稀土离子掺杂光学晶体特别适于作为量子传感器的探针。不依赖于特定理论，发明人认为这与稀土离子掺杂光学晶体的中稀土离子的长相干寿命有关。稀土离子的长的相干寿命使得其可以探测低频段的变化磁场和电场，从而提升传感灵敏度，并拓展传感器的工作频段及应用范围。

在具体的传感器中，稀土离子掺杂光学晶体1可以设置在晶体取向调节装置中，从而灵活地适应磁场、光场的角度。通过使晶体取向角度适应具体的磁场及光场，可以显著延长稀土离子自旋态的相干寿命，从而提高传感灵敏度。具体的操作方法可以是在各种不同晶体取向下开展自旋回波测试获取相干寿命信息，不断调节晶体取向直到获得最长的相干寿命。

所用的稀土离子掺杂光学晶体的外形和尺寸可以根据具体应用变化。一般地，使用薄片状光学晶体。优选的厚度是1mm以下，从而提高量子传感的空间分辨率。

晶体中稀土离子的浓度可以是任意合适的浓度，本发明对此不作特别限定。

如图1中示意性显示的，可以使激发光从稀土离子掺杂光学晶体的一侧入射，在另一侧探测拉曼散射光场。不过，也可以使激发光穿过光学晶体并通过反射再次穿过光学晶体，随后探测拉曼散射光场。从而有效地增加拉曼光场的信号强度及实际装置中的安装方式便捷性的角度看，通过光路设计使得激发光两次通过光学晶体是优选的。

稀土离子掺杂光学晶体低温提供单元

稀土离子掺杂光学晶体低温提供单元2向所述稀土离子掺杂光学晶体提供低温工作环境。典型地，其可以是一个低温腔单元，在腔内容纳稀土离子掺杂光学晶体。提供低温的目的是使晶格振动等干扰因素对探测结果的干扰最小化。通常，可以提供1K到15K范围内的温度。

恒定磁场产生单元

恒定磁场产生单元3向所述稀土离子掺杂光学晶体施加恒定磁场。施加的恒定磁场使得自旋的稀土离子绕磁场发生进动，并发生能级分裂。为了不同的传感目的，对施加的恒定磁场进行选择。

在用于示意性表示原理的图1中，恒定磁场产生单元产生的恒定磁场M_恒是水平方向的，与入射光方向垂直。但是，其可以与入射光方向平行，即处于竖直方向。本发明对恒定磁场与光路之间的方向关系不作特别的限定。

恒定磁场产生单元产生的恒定磁场的强度可以根据探测对象的不同进行调整。

考虑到地磁场及环境磁场噪声的影响，在pT量级的高灵敏磁场传感应用中，应在整个装置外做环境磁场屏蔽。

进行磁场传感时，恒定磁场产生单元优选施加在稀土离子掺杂光学晶体的零一阶塞曼效应工作点附近的磁场。本文中所谓的零一阶塞曼效应(zero first-order Zeemaneffect，ZEFOZ)指的是在特定的恒定磁场中，稀土离子的核自旋跃迁频率对外磁场的一阶响应趋近于零。关于零一阶塞曼效应的具体内容可以参看J.J.Longdell，A.L.Alexander，and M.J.Sellar.Characterization of the hyperfine interaction in europium-doped yttrium orthosilicate and europium chloride hexahydrate.Phys.Rev.B 74，195101(2006)以及该领域的其他出版物。当稀土离子处于零一阶塞曼效应工作点时，其相干寿命最长，远高于远离零一阶塞曼效应工作点时。在零一阶塞曼效应工作点上，探针的相干寿命虽长，但磁场响应差。所以虽然实现超低频信号的探测，但灵敏度不高。偏离这个工作点，探针寿命虽有所变短，但磁场响应明显变强，故实际的探测灵敏度会提升。继续远离这个工作点，探针寿命大大缩短，磁场响应虽变强，但实际的探测灵敏度又将下降。通过优化恒定磁场的大小及朝向，可以使稀土离子掺杂光学晶体在零一阶塞曼效应工作点附近工作，以延长探针相干寿命，实现低频磁场信号的灵敏检测。优选地，针对频率在0.01Hz～1Hz附近的低频待测磁场，在零一阶塞曼效应工作点附近，偏离0.1％至5％、优选不超过2％强度、不超过0.02度方向偏差的范围内，本发明的传感器工作良好。对于较高频的磁场的探测则没有此范围限制。本领域技术人员可以根据具体的探针和环境找到灵敏度最佳的恒定磁场。

进行电场传感时，则最佳地使得恒定磁场处于严格的零一阶塞曼效应工作点上。此处所称“严格”是指要求磁场指向与理论零一阶塞曼效应磁场的方向误差为0.001度以下，强度误差为0.005％以下。此范围内的磁场属于零一阶塞曼效应工作点。此时稀土离子核自旋具有最长的相干寿命，且电场响应的能力与恒定磁场依赖性较弱，故传感器将具有最优化的灵敏度。

针对具体的稀土离子掺杂晶体找到其零一阶塞曼效应工作点的方法是本领域公知的。例如可参见J.J.Longdell，A.L.Alexander，and M.J.Sellar.Characterization ofthe hyperfine interaction in europium-doped yttrium orthosilicate andeuropium chloride hexahydrate.Phys.Rev.B 74，195101(2006)。

恒定磁场产生单元可以与低温提供单元集成在一起。

脉冲磁场产生单元

脉冲磁场产生单元5向所述稀土离子掺杂光学晶体施加垂直于所述恒定磁场的脉冲磁场。在本文中，“脉冲磁场”指的是具有特定频率、相位和振幅从而可以对稀土离子自旋实现翻转的操控磁场。在示意性的图1中，M_脉的箭头并不意味着脉冲磁场的方向是单方向的。M_脉可以反向，也可以表示脉冲序列的组合。如本领域公知的自旋回波序列，通过第一个脉冲磁场使得核自旋实现90°横向翻转，然后通过第二个脉冲磁场使得核自旋再翻转180°。在脉冲磁场的作用下，稀土离子掺杂光学晶体在自旋演化过程中产生自旋回波。“自旋演化”指的是稀土离子自旋态在外磁场环境下的自发拉莫进动，“自旋回波”指的是稀土离子自旋在脉冲磁场控制下出现相干性会聚而发射回波的现象，均具有本领域公知的含义。自旋回波可以通过光检测单元检测到。外磁场或外电场的影响将使自旋回波发射变化，并体现在光检测单元检测到的光信号上。

脉冲磁场产生单元5可以包括：矢量微波产生单元，其产生矢量微波脉冲；和微波辐照线圈，其将所述矢量微波脉冲转化为所述脉冲磁场。矢量微波产生单元可以产生任意所需频率、幅度和相位的微波脉冲。该微波脉冲发射到一对相对安置的微波辐照线圈上，即可在线圈中的空间中产生脉冲磁场。矢量微波通过微波辐照线圈发射出最终产生的脉冲磁场，矢量微波的大小决定脉冲磁场的强度，矢量微波的相位决定脉冲磁场的翻转方向。

脉冲磁场产生单元也可以具有其他结构，只要能提供所需的脉冲磁场即可。

脉冲磁场产生单元5还可以包括动力学解耦合序列控制装置。“动力学解耦合序列”指的是利用周期性排布的微波序列实现对稀土离子自旋态的周期性高速翻转，从而进一步延长相干寿命及探针的工作时间。其原理是通过动力学解耦合的单频滤波特性来提高外磁场检测的频谱分辨率。本领域技术人员可以根据需要通过动力学解耦合序列控制装置实现适当的动力学解耦合序列。

光场产生单元

本发明的量子传感器利用光学手段来探测并分析自旋回波在外部扰动(如磁场扰动、电场扰动)下的光谱学上的变化，从而推导出该外部扰动。光学系统包括光场产生单元4和外差式拉曼散射光场探测单元6。

一方面，光场产生单元4可以产生可控的光场，施加到稀土离子掺杂光学晶体1上，通过光学泵浦作用，使稀土离子处于初态。光学泵浦指的是利用受控的激光脉冲对稀土离子吸收带实现操控，从而使稀土离子处于特定能级。光学泵浦作用是本领域公知的，其可以改变粒子在各能级的分布。在本发明的实施例中，通过光学泵浦作用达到的稀土离子的初态是Eu离子的基态⁷F₀能级的m_I＝+3/2精细能态。处于初态的稀土离子接受脉冲磁场激发，演化后产生自旋回波。在此，利用光学泵浦，能够实现稀土离子自旋态的初始化，从而显著提高信号检测的信噪比。为了将处于不同能级的稀土离子抽运到同一能级状态，用于产生光学泵浦的光场可以是对目标初态之外的其他所有能级跃迁共振的激光。

另一方面，除了泵浦光场，光场产生单元4还可以产生用于激发拉曼散射的光场。用于激发拉曼散射的光一般是单频光。

作为一种实施方案，光场产生单元包括激光器，其发出连续激光；和光调制器，其将由所述激光器发出的连续激光调制为调制的光场。在本文中，“光调制器”指的是通过基于电学信号实现对光场的控制器件，将连续激光调制为具有任意所需幅度、频率、相位的光场，以适用于自旋态初始化以及拉曼散射光检测的需求。例如，光调制器可以将连续激光调制为扫频的激光或单频的激光。

可以使用任意类型的激光器。优选地，激光器是窄线宽激光器。窄线宽激光器指的是线宽低于1MHz的连续激光器。其优点是激光频率漂移小，经调制后，光学泵浦效果显著且信号稳定。

可以使用任意类型的光调制器。优选地，光调制器是声光调制器，特别是编程控制的声光调制器。声光调制器指的是利用声光布拉格衍射效应调制激光的器件。其优点是高衍射效率和宽调制带宽。

光场产生单元也可以具有其他结构，只要能提供所需的光场即可。

光场产生单元还可以具有辅助光学元件，例如分束镜、反射镜等，用于优化光学系统。例如将在下文中详述的图2中的分束镜43a和反射镜43b，它们组成的光路使得激发光场两次进入稀土离子掺杂光学晶体，提高了信号强度。

外差式拉曼散射光场探测分析单元

外差式拉曼散射光场探测(Raman Heterodyne Detection)分析单元4探测并分析从所述稀土离子掺杂光学晶体受激辐射的拉曼散射光场。在本文中，“外差式拉曼散射光场探测”指的是利用外差检测方法探测拉曼散射光场，其中利用该拍频信号与本振微波解调实现磁共振信号的检测。光学外差法是激光测量领域的常用方法。关于外差式拉曼散射光场探测的具体内容可以参看J.Mlynek等，Raman Heterodyne Detection of NuclearMagnetic Resonance.Phys.Rev.Letts.50.993(1983)以及该领域的其他出版物。本发明的发明人发现，对于本发明的稀土离子掺杂光学晶体，如果使用常规的核磁共振谱仪检测方法，将无法检测稀土离子掺杂光学晶体的自旋回波信号。本发明的发明人进而发现，采用外差式拉曼散射光场探测，能够实现利用稀土离子掺杂光学晶体进行高灵敏度电磁场测量。

外差式拉曼散射光场探测中的光场探测器是拍频式光场探测器。在本文中，“拍频方法”指的是将拉曼散射光场与本振光场合并在一个光电探测器上探测拍频信号。其作用是利用频率选择特性实现微弱拉曼散射光场的灵敏探测。

外差式拉曼散射光场探测分析单元还可以具有辅助光学元件，例如分束镜、反射镜等，用于优化光学系统。

本发明的量子传感器可以用于磁场传感和电场传感。测量的电磁场一般是交流的电磁场。测量的电磁场的频率可以低于1kHz，低至10mHz。本发明的量子传感器也可以用于测量可以通过测量电磁场间接获得的物理量。例如，本发明的量子传感器也可以作为压力传感器，只要待测压力可以通过电磁场测量换算得到即可。一个可能的方式是使用例如压电元件等器件。

具体应用中，该传感器可用于测试晶体外部的磁场，例如实施例中扰动磁场就放置在晶体下方，实际应用中可以将目标磁场源放置到晶体表面；然后利用上述的自旋回波方法或动力学解耦合方法测试出被测场的大小及频率；

该传感器也可用于晶体内部的弱磁场检测，比如晶体中Y自旋或其他磁性杂质的动力学分析，这时可以针对稀土离子执行动力学解耦合，根据动力学解耦合的回波大小与解耦合脉冲序列周期之间的关系，分析出晶体内部环境磁场的频谱。

本发明实施例的一种用量子传感器进行电场传感的方法包括：

用所述恒定磁场产生单元对所述稀土离子掺杂光学晶体施加恒定磁场，

用所述低温提供单元对所述稀土离子掺杂光学晶体施加1K至15K的温度，

用所述光场产生单元对所述稀土离子掺杂光学晶体施加泵浦光场，使稀土离子处于自旋初态，

使所述稀土离子掺杂光学晶体处于待测电场中，

用所述脉冲磁场产生单元使所述稀土离子产生自旋回波，

用所述光场产生单元对所述稀土离子掺杂光学晶体施加光场，激发所述稀土离子掺杂光学晶体的拉曼散射，以及

用所述外差式拉曼散射光场探测分析单元探测并分析从所述稀土离子掺杂光学晶体辐射的拉曼散射光场，并计算所述待测电场。

如上所讨论的，在电场测量中，优选使所述恒定磁场与零一阶塞曼效应工作点的方向误差为0.001度以下且强度误差为0.005％以下。

本发明实施例的一种用量子传感器进行磁场传感的方法包括：

用所述恒定磁场产生单元对所述稀土离子掺杂光学晶体施加恒定磁场，

用所述低温提供单元对所述稀土离子掺杂光学晶体施加1K至15K的温度，

用所述光场产生单元对所述稀土离子掺杂光学晶体施加泵浦光场，使稀土离子处于初态，

使所述稀土离子掺杂光学晶体处于待测磁场中，

用所述脉冲磁场产生单元使所述稀土离子产生自旋回波，

用所述光场产生单元对所述稀土离子掺杂光学晶体施加光场，激发所述稀土离子掺杂光学晶体的拉曼散射，以及

用所述外差式拉曼散射光场探测分析单元探测并分析从所述稀土离子掺杂光学晶体辐射的拉曼散射光场，并计算所述待测磁场。

如上所讨论的，在针对0.01Hz至1Hz的低频磁场测量中，优选使所述恒定磁场在零一阶塞曼效应工作点附近，更优选偏离零一阶塞曼效应工作点0.1％至5％。

以下通过实施例来进一步详细说明本发明。

实施例1：基于稀土离子掺杂光学晶体的量子传感器

图2为基于稀土离子掺杂光学晶体的量子传感器的一个实施例的装置示意图。如图2所示，该装置主要包括以下部分。

稀土离子掺杂光学晶体1、低温提供单元2、恒定磁场产生单元3、光场产生单元4、脉冲磁场产生单元5和外差式拉曼散射光场探测分析单元6。

其中，稀土离子掺杂光学晶体单元1，用于实现对电磁场的探测并产生传感信号。

低温提供单元2，其向所述稀土离子掺杂光学晶体提供低温工作环境。

恒定磁场产生单元3，用于施加恒定磁场。恒定磁场产生单元3与低温提供单元2集成在一起。

光场产生单元4，用于通过光学泵浦作用对稀土离子实现自旋态的初态制备，从而提高核磁探测的信噪比；还用于激发拉曼光场。

脉冲磁场产生单元5，用于施加任意幅度及相位的脉冲磁场。

外差式拉曼散射光场探测分析单元6，用于通过探测拉曼光谱对稀土离子掺杂光学晶体自旋回波信号进行光学探测和分析。

进一步的，所述稀土离子掺杂光学晶体单元1可以设置在晶体取向调节装置如样品旋转台上。样品旋转台用于任意旋转样品，从而获得等效的任意磁场方向。其参数可以为两轴向任意旋转，1毫度旋转精度，360°可旋转。

其中，所述稀土离子掺杂光学晶体1，用于接受微波辐照线圈52的微波激励，产生自旋回波，并在自旋演化过程获取外磁场引起的相位；其参数可以为各种稀土离子(Pr、Eu等)掺杂的光学晶体(YSO、YVO、YAG等)，本实施例中，采用Eu离子掺杂的YSO晶体，离子浓度为0.01％，尺寸为沿晶体b轴方向1mm厚度，D1*D2面(即入射面)针对580nm的波长镀有增透膜。实际应用中，可以根据具体稀土离子掺杂晶体的光学吸收深度确定晶体取向及尺寸，根据自旋相干寿命的需求确定掺杂浓度。

恒定磁场产生单元3提供直流偏置工作磁场环境。本实施例中，其同时集成了还用于冷却的低温提供单元2，向稀土离子掺杂光学晶体1提供低温磁场，并且其参数为，温度2K，磁场约1.28T。

进一步的，所述脉冲磁场产生单元5包括：矢量微波源51以及微波辐照线圈52；

其中，所述矢量微波源51，用于产生任意频率、幅度及相位的微波脉冲；在本实施例中，其参数可以为频率范围1MHz～20GHz，脉冲峰值功率500W，相位精度0.1°；本实施例中，工作频率为约12MHz

所述微波辐照线圈52，用于在稀土离子掺杂光学晶体上施加微波磁场；本实施例中，其参数为8匝亥姆霍兹线圈，线圈直径6mm，线芯直径0.5mm。

进一步的，所述光场产生单元4包括：激光器41、光调制器42。

其中，所述激光器41，用于产生窄线宽的连续激光，送入光调制器42中进一步编程控制；其参数可以为580nm波长、经Pound-Drever-Hall(PDH)技术锁频后线宽1kHz、功率600mW。之所以将激光波长设置在580nm是因为在YSO晶体中Eu离子的光学共振吸收波长为580nm。

所述光调制器42，用于接收所述激光器41的窄线宽激光，并调制产生任意幅度、频率、相位的泵浦光场，或产生单频激光；其参数可以为中心频率250MHz的声光调制器，射频带宽120MHz，采用PC机编程控制其驱动源。

本实施例的光路中还包括第一镜片43a，用于传递所述光调制器42发射的调制光场进入稀土离子掺杂光学晶体并收集反射回来的光信号。其参数可以为50∶50分束镜。

本实施例的光路中还包括第二镜片43b，用于反射光路，使其二次通过稀土离子掺杂光学晶体，从而提高信噪比。其参数可以为99.9％反射镜。

进一步的，所述外差式拉曼散射光场探测分析单元6包括：光电探测器61以及解调分析装置62。

其中，光电探测器61，用于接收拉曼散射光场以及参考光场，产生拍频信号；其中参考光场是用于激发拉曼散射的泵浦光场在穿过晶体后的剩余透过光场。光电探测器的参数可以为硅基光电探测器，探测带宽150MHz。

所述解调分析装置62，用于将光电探测器61提取的拍频信号与本振微波信号解调并放大，存储数据；其参数可以为解调带宽30kHz，放大倍数100倍。

本公开实施例的装置将稀土离子掺杂光学晶体核自旋回波和电磁场探测结合起来，实现了基于稀土离子掺杂光学晶体的量子传感器，并借助光学泵浦和拉曼外差探测方法显著提升了信噪比；该上述过程所采用的设备易于操作，系统具有较高的稳定性及完善的测试功能。

以下以磁场测量为例说明本发明的用途。

实施例2：外部扰动磁场的测量

使用实施例1的量子传感器进行磁场测量。

进一步地，本实施例中，通过设置恒定磁场产生器3产生的恒定磁场，采用零一阶塞曼(ZEFOZ)效应延长Eu离子的相干寿命，在零一阶塞曼效应工作点上(磁场约1.28T，磁场指向在晶体D1*D2*b坐标系内为[-0.535，-0.634，0.558])，离子的自旋相干寿命约30s，这里探针具有最长的工作时间，适用于超低频信号的检测。但由于对磁场响应差，磁探测灵敏度不高。在工作磁场比ZEFOZ工作点高200G处，即约1.30T上，利用自旋回波测得相干寿命约1.5s，此处磁场响应好，具有更高的磁场探测灵敏度。

在工作磁场比ZEFOZ工作点高200G处，基于自旋回波实测了一个外部的扰动磁场，该扰动磁场是一个周期的正弦波，函数形式为B_AC*Sin(1.5πt)，其中t为时间。当自旋回波激励开始时，扰动磁场同步施加。回波产生时，扰动磁场同步结束。该扰动磁场由一个信号源产生，并由传感器下方5mm处的一个线圈释放扰动磁场。该线圈匝数4匝，直径18mm。扰动磁场的方向与恒定磁场方向一致。在室温下，我们利用霍尔探头测定该线圈在晶体位置释放磁场B_AC与施加电压V的关系为B_AC/V＝0.9±0.1uT/V，故根据施加电压大小可以推算扰动磁场大小。

光场产生单元首先对探针进行光学泵浦。泵浦方式为，从激光器发射580nm的激光。利用声光调制器，在0s～4s时间内，扫描激光频率范围[-45MHz，0MHz]，其中0MHz对应声光调制器的中心频率250MHz，-45MHz对应比中心频率低45MHz的光场。具体地，光场在0s～1.5s时间内，连续扫描激光频率-45MHz至0MHz；1.5s至2s内激光频率控制在0MHz；以上0s～2s的泵浦过程在2s至4s时间再重复一次；这可以把自旋态制备为m_I＝+3/2初态。

接着在4.5s时刻开始，施加脉冲磁场激励自旋回波，脉冲序列为[90°-180°-回波]，同时施加扰动磁场。自旋回波的总演化时间为1.332s，对应扰动磁场的一个周期长度。

在5.832s时刻，自旋回波发射的同时，光泵浦单元入射对应中心频率0MHz的光场，转化自旋回波信号为拉曼散射光场。经过外差式拉曼散射光场分析，自旋回波信号的实部X及虚部Y信号直接在示波器上显示出来。

实际测量磁场的结果图3所示，图中横坐标是施加的扰动磁场大小，纵坐标是核自旋回波的实部X分量及虚部Y分量与幅值R的比值。每个点采用的回波演化时间为1.332s。进行四次测量，取平均值。根据该实验结果做标准正弦曲线的拟合，拟合平均误差为0.0045，故对应最小可测磁场为4.5nT。考虑测量总时间5.328s，得到磁场测量灵敏度为10.4nT/√Hz(工作频率0.75Hz)。作为首个稀土离子量子传感器，该灵敏度已经显著超过首个基于NV色心的磁场量子传感器[30nT/√Hz，参考Nature 455.644(2008)]。

实施例3：动力学解耦合方式

进一步的，除了简单的自旋回波方法之外，还可以施加复杂的动力学解耦合序列来探测外部交流磁场。动力学解耦合序列是指是利用周期性排布的微波序列实现对稀土离子自旋态的周期性高速翻转，从而进一步延长相干寿命及探针的工作时间。

在本实施例中，具体做法是：脉冲磁场产生单元产生XY-8动力学解耦合序列。该序列的执行方式为首先施加一个90°脉冲，间隔22.248毫秒后施加以下周期性序列：X-Y-X-Y-Y-X-Y-X，其中X对应0°相位的180°脉冲，Y对应90°相位的180°脉冲，每两个180°脉冲间距为44.496毫秒。最终探测产生的回波提取扰动磁场引起的相位信息，扫描扰动磁场的周期可以观察这种方法的频率响应特性。

这种方法的优势是，随着脉冲数目的增加，探测的频率分辨率会逐步变好，故可以作为一种精密的谱分析技术。

本实施例中，工作磁场在比ZEFOZ点高6G处时，实测相干寿命16.1s。在该工作点上，执行了XY-8动力学解耦合序列，共施加了1280个180°脉冲。外部交流磁场大小为1uT，函数形式为Sin(2π*f*t)，其中f为振荡频率，t为时间。图4展示通过精细扫描外部交流场的频率f，观察引起相位偏移的大小，可以看到这种分析方法频谱分辨率可以达到了10mHz量级。

从上述各实施例可以看出，本发明的基于稀土离子掺杂光学晶体的量子传感器的实测结果显示传感器灵敏度在0.75Hz工作频率上可以达10.4nT/√Hz，与最先进的NV色心量子传感器性能相当。由于稀土离子特有的超长相干寿命，该传感器可用于低频段的信号分析，包括0.01Hz～100Hz波段。在对一个11.237Hz信号的交流磁场的实际测量中，频谱分辨率达10mHz量级。

该装置的各部分元器件都是通用型的电学及光学器件，装置稳定且灵敏度高、工作频段宽，具有广泛应用前景。

实施例2和3示例性地说明了本发明的量子传感器测量磁场的方法。本发明的量子传感器也可以用于电场传感中。与测量磁场相比，使用方法的区别之一是施加的恒定磁场为严格的ZEFOZ工作磁场。

本发明的量子传感器也可以用于压力传感中，只需添加将压力信号转化为磁场或电场信号的器件即可，也可以直接测试晶体受压后的频率响应特性。

本领域技术人员也可以想到本发明的量子传感器的其他用途。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种基于稀土离子掺杂光学晶体的量子传感器，其特征在于，所述量子传感器包含：

稀土离子掺杂光学晶体；

低温提供单元，其向所述稀土离子掺杂光学晶体提供低温工作环境；

恒定磁场产生单元，其向所述稀土离子掺杂光学晶体施加恒定磁场；

光场产生单元，其提供对所述稀土离子掺杂光学晶体进行光学泵浦使稀土离子处于自旋初态的光场，以及用于激发所述稀土离子掺杂光学晶体的拉曼散射的光场；

脉冲磁场产生单元，其向所述稀土离子掺杂光学晶体施加垂直于所述恒定磁场的脉冲磁场，使所述稀土离子掺杂光学晶体产生自旋回波；和

外差式拉曼散射光场探测分析单元，其以光外差法探测并分析从所述稀土离子掺杂光学晶体辐射的拉曼散射光场。

2.根据权利要求1所述的量子传感器，其特征在于，

所述稀土离子掺杂光学晶体是Eu：YSO、Nd：YSO、Er：YSO、Pr：YSO或Tm：YSO晶体。

3.根据权利要求1所述的量子传感器，其特征在于，

所述光场产生单元包括：

激光器，其发出连续激光；和

光调制器，其将由所述激光器发出的连续激光调制为调制的光场。

4.根据权利要求3所述的量子传感器，其特征在于，

所述光调制器是声光调制器。

5.根据权利要求3所述的量子传感器，其特征在于，

所述激光器是窄线宽激光器。

6.根据权利要求1所述的量子传感器，其特征在于，

所述脉冲磁场产生单元包括：

矢量微波产生单元，其产生矢量微波脉冲；和

微波辐照线圈，其将所述矢量微波脉冲转化为所述脉冲磁场。

7.根据权利要求1所述的量子传感器，其特征在于，

所述脉冲磁场产生单元包括动力学解耦合序列控制装置。

8.根据权利要求1所述的量子传感器，其特征在于，

所述量子传感器还包括晶体取向调节装置。

9.根据权利要求1所述的量子传感器，其特征在于，所述量子传感器包括使得拉曼散射的激发光两次穿过所述稀土离子掺杂光学晶体的光路。

10.根据权利要求1所述的量子传感器用于磁场传感或电场传感的用途。

11.使用根据权利要求1所述的量子传感器进行电场传感的方法，所述方法包括：

用所述恒定磁场产生单元对所述稀土离子掺杂光学晶体施加恒定磁场，

用所述低温提供单元对所述稀土离子掺杂光学晶体施加1K至15K的温度，

用所述光场产生单元对所述稀土离子掺杂光学晶体施加泵浦光场，使稀土离子处于自旋初态，

使所述稀土离子掺杂光学晶体处于待测电场中，

用所述脉冲磁场产生单元使所述稀土离子产生自旋回波，

用所述光场产生单元对所述稀土离子掺杂光学晶体施加光场，激发所述稀土离子掺杂光学晶体的拉曼散射，以及

用所述外差式拉曼散射光场探测分析单元探测并分析从所述稀土离子掺杂光学晶体辐射的拉曼散射光场，并计算所述待测电场。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述恒定磁场与零一阶塞曼效应工作点的方向误差为0.001度以下且强度误差为0.005％以下。

13.使用根据权利要求1所述的量子传感器进行磁场传感的方法，所述方法包括：

用所述恒定磁场产生单元对所述稀土离子掺杂光学晶体施加恒定磁场，

用所述低温提供单元对所述稀土离子掺杂光学晶体施加1K至15K的温度，

用所述光场产生单元对所述稀土离子掺杂光学晶体施加泵浦光场，使稀土离子处于初态，

使所述稀土离子掺杂光学晶体处于待测磁场中，

用所述脉冲磁场产生单元使所述稀土离子产生自旋回波，

用所述光场产生单元对所述稀土离子掺杂光学晶体施加光场，激发所述稀土离子掺杂光学晶体的拉曼散射，以及

用所述外差式拉曼散射光场探测分析单元探测并分析从所述稀土离子掺杂光学晶体辐射的拉曼散射光场，并计算所述待测磁场。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，

所述恒定磁场的强度偏离零一阶塞曼效应工作点0.1％至5％。

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