CN110388995B - 基于量子弱测量理论的光学高精度温度监测装置及方法 - Google Patents

基于量子弱测量理论的光学高精度温度监测装置及方法 Download PDF

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CN110388995B CN201910590844.9A CN201910590844A CN110388995B CN 110388995 B CN110388995 B CN 110388995B CN 201910590844 A CN201910590844 A CN 201910590844A CN 110388995 B CN110388995 B CN 110388995B
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K11/00—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00
    • G01K11/006—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using measurement of the effect of a material on microwaves or longer electromagnetic waves, e.g. measuring temperature via microwaves emitted by the object

Abstract

本发明提供了一种基于量子弱测量理论的光学高精度温度监测装置及方法，包括：LED光源、第一准直透镜、前选择偏振片、温度控制腔、液晶样片、索累‑巴比涅补偿器、四分之一波片、后选择偏振片、第二准直透镜、光谱分析仪以及计算机；利用温度测量装置测量温度控制腔中初始温度，根据初始温度将索累‑巴比涅补偿器调节至初始温度对应的偏置相位；根据光谱分析仪接收光的光谱，计算接收光的平均频率，根据接收光的平均频率推导计算当前温度；根据当前温度，将索累‑巴比涅补偿器调节至当前温度对应的偏置相位；重复前述后两个步骤，实现对温度的实时监测与修正。

Description

基于量子弱测量理论的光学高精度温度监测装置及方法
技术领域
本发明涉及高精度监测测量领域，具体地，涉及一种基于量子弱测量理论的光学高精度温度监测装置及方法，尤其是一种基于量子弱测量理论的动态范围较大且可调的光学高精度温度监测装置及方法。
背景技术
高精度的温度监测是恒温控制的重要过程。在工业生产、智能监控、生物医学工程等领域，精密的恒温控制有着相当重要的应用，它们需要监测温度的细微变化，然后利用控温装置弥补这些温度变化达到恒温效果，故而高精度温度监测在这之中起着至关重要的作用。
传统的温度监测，采用电阻测温的方式，利用电信号监测热敏电阻受温度变化而改变的阻值，尽管多年的改进，使电阻测温在很多方面有所改进并能够应用于多数场合，但是受制于电噪声及电阻热漂移，其精度最高只有10-2℃量级。
利用光学方法进行温度监测在近年得到深入研究，这些方法往往能获得极高的温度监测精度，但是可监测的温度范围一般较小。如yang等人利用布拉格光栅反射群延迟的温度依赖性，可测得0.0089℃的温度变化，监测范围约为12.6℃；Davidde等人利用干涉法测量水银温度计表面的薄油高度，精度理论上可达2×10-6℃，但是温度监测范围仅有0.2℃。如何在获得极高温度监测精度的同时，能扩大温度监测的范围，是一个非常关键的问题。
公开号为CN104089718A的专利文献公开了一种恒温测试系统，包括具有反馈其温度的电阻温度探测器的恒温测试仪和监测电阻温度探测器反馈温度准确性的校验单元。其中校验单元包括温度感测模块、比较模块、检查模块和监测模块。温度感测模块在进行恒温测试时与待测样品共同放入恒温测试仪中烘烤以进行温度感测；比较模块根据温度感测模块感测的温度获得恒温测试仪的实际温度并比较该实际温度与电阻温度探测器的反馈温度；检查模块在该实际温度与该反馈温度的差值大于设定值时检查该实际温度的正确性；监测模块用于在该实际温度为正确时发出提示信息。本发明能够及时发现恒温测试仪的显示温度异常情况，提高恒温测试的准确性，但是此方案采用电阻测温，精度难以得到保证，对于一些需要高精度测量监测的场景不适用。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于量子弱测量理论的光学高精度温度监测装置及方法。
根据本发明的一个方面，提供一种基于量子弱测量理论的光学高精度温度监测装置，包括：LED光源、第一准直透镜、前选择偏振片、温度控制腔、液晶样片、索累-巴比涅补偿器、四分之一波片、后选择偏振片、第二准直透镜、光谱分析仪以及计算机；
所述LED光源发射的光经第一准直透镜准直后，经过前选择偏振片，然后在温度控制腔和液晶样片处产生温度相关的时延，再经过索累-巴比涅补偿器进行相位调节，之后经过四分之一波片，再经过后选择偏振片，然后经过第二准直透镜汇聚后被光谱分析仪收集分析；所述温度控制腔中的温度测量装置、光谱分析仪分别连接计算机。
优选地，所述LED光源的光谱呈高斯状，中心波长为771nm；
所述第一准直透镜、第二准直透镜的焦距为40mm，能够使光斑汇聚平行出射不发散，并且出射光保持水平；
所述液晶样片的厚度为20μm；
所述索累-巴比涅补偿器具有0-2π连续可调的延迟，工作波长为365nm-800nm。
根据本发明的另一个方面，提供一种基于量子弱测量理论的光学高精度温度监测方法，包括如下步骤：
步骤A：搭建温度传感的量子弱测量光学平台，即基于量子弱测量理论的光学高精度温度监测装置；
步骤B：利用温度测量装置测量温度控制腔中初始温度，根据初始温度将索累-巴比涅补偿器调节至初始温度对应的偏置相位；
步骤C：根据光谱分析仪接收光的光谱，计算接收光的平均频率，根据接收光的平均频率推导计算当前温度；
步骤D：根据当前温度，将索累-巴比涅补偿器调节至当前温度对应的偏置相位；
步骤E：重复步骤C、步骤D，实现对温度的实时监测与修正。
优选地，所述步骤A包括如下步骤：
步骤A1：准直光源：通过第一准直透镜准直LED光源发出的光，保持出射光水平，使其在接收端光程内光斑不发散；记出射光的初始状态为
Figure BDA0002116076380000031
其中，ω表示初始出射光频率，φ(ω)表示光频率的相关波函数，|ω>表示频率态矢量；
步骤A2：调整前选择偏振片位置及角度：将前选择偏振片放入光路，位置在第一准直透镜之后，利用偏振分析仪调整前选择偏振片的前选择态，使前选择态表示为
Figure BDA0002116076380000032
其中，|H>和|V>分别表示水平偏振态和垂直偏振态；
经过前选择偏振片之后的出射光的状态表示为
Figure BDA0002116076380000033
其中，|ψi>表示经过前选择后的状态，
Figure BDA0002116076380000034
表示直积；
步骤A3：调整四分之一波片位置及角度：将四分之一波片放入光路，位置在前选择偏振片之后，将四分之一波片的快轴调整至与前选择偏振片出射光振动方向相同的方向；
步骤A4：调整后选择偏振片位置及角度：将后选择偏振片放入光路中，位置在四分之一波片之后，使后选择偏振片偏振方向与前选择偏振片偏振方向垂直；
四分之一波片与后选择偏振片构成后选择态，当将后选择偏振片的光轴方向偏离原位置时，偏移量为ε，后选择态表示为
Figure BDA0002116076380000035
其中，e表示自然对数，j表示虚数单位，ε表示偏移的相位；
步骤A5：调整液晶样片、索累-巴比涅补偿器的位置及角度：将液晶样片、索累-巴比涅补偿器的放入光路中，位置在前选择偏振片与四分之一波片之间，液晶样片放置在温度控制腔内，索累-巴比涅补偿器位于液晶样片之后；调整液晶样片的光轴，使其光轴在水平偏振态|H>上，调整索累-巴比涅补偿器的光轴，使其光轴在水平偏振态|H>上；
步骤A6：调整接收端第二准直透镜、光谱分析仪位置：将第二准直透镜、光谱分析仪放入光路，位于后选择偏振片之后，其中，第二准直透镜位于光谱分析仪之前，准直后选择偏振片的出射光，使出射光被光谱分析仪接收到；
步骤A7：将温度控制腔中的温度测量装置、光谱分析仪分别连接计算机。
优选地，所述液晶样片的双折射率Δn＝ne-no，其中，ne表示非常光折射率，no表示寻常光折射率，液晶样片的双折射率Δn随温度变化而变化，液晶样片双折射率随温度的变化函数Δn(T)为：
Figure BDA0002116076380000041
其中，Δn(T)表示双折射率随温度变化的函数，T表示当前温度，(Δn)0是液晶样片在0K温度时的双折射率，TC表示液晶样片清亮点温度，γ表示一个常数，γ与液晶结构相关；
则由于温度变化而使通过液晶样片的水平偏振态|H>的光和垂直偏振态|V>的光之间产生的相位差表示为
Figure BDA0002116076380000042
其中，ω表示初始出射光频率，Δτ表示温度变化导致水平偏振态|H>的光和垂直偏振态|V>的光在液晶样片内传播的时延差，Δ(Δn)表示液晶样片双折射率变化量，d表示液晶样片厚度，c表示光速，T表示当前温度，ΔT表示温度变化。
优选地，从前选择偏振片出射的光在液晶样片、索累-巴比涅补偿器经历幺正变换
Figure BDA0002116076380000043
表示幺正变换算子，e表示自然对数，j表示虚数单位，Δβ表示索累-巴比涅补偿器产生的相位差，τ0表示液晶样片的初始时延，Δτ表示温度变化导致水平偏振态|H>的光和垂直偏振态|V>的光在液晶样片内传播的时延差，ω表示初始出射光频率，
Figure BDA0002116076380000044
表示斯托克斯量，
Figure BDA0002116076380000045
其中<H|表示水平偏振态的共轭态，<V|表示垂直偏振态的共轭态；
经过液晶样片、索累-巴比涅补偿器之后的出射光的状态表示为
Figure BDA0002116076380000046
优选地，所述步骤B包括如下步骤：
步骤B1：对温度控制腔用温度测量装置测量初始温度；所述温度测量装置的测量误差小于±1℃，所述温度测量装置与液晶样片均处于温度控制腔中；
步骤B2：根据初始温度将索累-巴比涅补偿器调节至初始温度对应的相位，所述索累-巴比涅补偿器调节相位时遵从如下公式：
Figure BDA0002116076380000047
其中，
Figure BDA0002116076380000048
表示索累-巴比涅补偿器相位，(Δn)0表示液晶样片在温度为0K时的双折射系率，T1表示温度测量装置测得的初始温度，ω0表示初始光中心波长对应的中心频率，即LED光源光谱的中心频率；
经过索累-巴比涅补偿器之后的水平偏振态|H>的光和垂直偏振态|V>的光之间产生的相位差为Δβ＝ωτSBC，其中，τSBC表示水平偏振态|H>的光和垂直偏振态|V>的光在索累-巴比涅补偿器中传播的时延差。
优选地，所述步骤C中采用如下方法计算接收光平均频率：
经过四分之一波片与后选择偏振片后的出射光状态，即经过后选择态的出射光状态表示为
Figure BDA0002116076380000051
其中，
Figure BDA0002116076380000052
表示后选择态
Figure BDA0002116076380000053
的共轭态，
Figure BDA0002116076380000054
表示前选择态，
Figure BDA0002116076380000055
表示出射光的初始状态；
利用泰勒公式展开，化简为
Figure BDA0002116076380000056
其中，θ＝Δβ+(τ0+Δτ)ω，
Figure BDA0002116076380000057
其中Aw表示弱测量理论中的弱值，
Figure BDA0002116076380000058
表示斯托克斯量，
Figure BDA0002116076380000059
表示前选择态
Figure BDA00021160763800000510
与后选择态
Figure BDA00021160763800000511
的内积；
经历后选择态后的出射光，通过第二准直透镜准直后被光谱分析仪接收，接收光的光谱分布F(ω)为：
F(ω)＝|<ω|ψf>|2＝sin2(ε-θ)P(ω)＝sin2[-ε+(τSBC+τ0+Δτ)ω/2]P(ω)
其中，<ω|ψf>表示对经历后选择态的出射光的频率ω求强度，P(ω)表示光频谱分布，P(ω)＝|φ(ω)|2，φ(ω)表示光频率的相关波函数；
通过如下公式计算接收光谱的平均频率ωave：
Figure BDA00021160763800000512
优选地，所述步骤C中通过如下公式计算当前温度T：
Figure BDA00021160763800000513
优选地，所述步骤E不断地测量接收光的光谱，实时计算接收光谱的平均频率，并推算温度的变化量，温度变化量ΔT采用如下公式计算：
Figure BDA00021160763800000514
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明结构简单，使用方便，不仅能够实现对温度的高精度监测，还具有较大的温度测量范围。
2、本发明在光谱分析仪的测量分辨率为0.04pm的情况下，测量精度达能够达到9×10-7摄氏度；
3、本发明可测量的温度范围大，在液晶的正常工作温度-10:59摄氏度范围内，本发明均可正常工作。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明装置的光路结构示意图。
图2为本发明进行温度测量的流程图。
图中示出：
Figure BDA0002116076380000061
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
高精度温度监测在众多复杂环境中都有着十分重要的应用，而极高精度的温度监测对于激光应用、生物医药，物理材料等方面有着极大的潜在应用价值，现有温度测量方法，虽能达到较高的灵敏度，但是可测量的温度范围较小，本发明的目的是提出一种温度测量精度更高，而可测量的温度范围相对更广的温度监测方法。
本发明通过测量液晶在温度变换下对光的双折射效应变化量，得到温度的变化量，量子弱测量(weak measurement)具备测量相互垂直的偏振光之间细微的相位差或时延差的特点，因而能测量得到非常细微的温度变化量。
本发明提出的基于量子弱测量理论的光学高精度温度监测方法，包括：步骤A：搭建一套可用于温度传感的弱测量光学平台；步骤B：对环境温度进行粗略测量，将光路中相位调节器(优选地，采用索累-巴比涅补偿器6)调节至对应此时温度的偏置相位；步骤C：利用温度变化能改变液晶的偏光性这一特点，基于量子弱测量技术，测量此时的相位差从而得到更为精确的环境温度；步骤D：将光路中的相位调节器进一步调节至精确温度所对应的偏置相位，使温度监测精度达到最大。本发明通过调节偏置相位使测量的动态范围较大，同时在现有条件下使温度测量的理论精度达到9×10-7摄氏度。
根据本发明的一个方面，提供一种基于量子弱测量理论的光学高精度温度监测装置，如图1所示，包括：LED光源1、第一准直透镜2、前选择偏振片3、温度控制腔4、液晶样片5、索累-巴比涅补偿器6、四分之一波片7、后选择偏振片8、第二准直透镜9、光谱分析仪10以及计算机11；
所述LED光源发射的光经第一准直透镜2准直后，经过前选择偏振片3，然后在温度控制腔4和液晶样片5处产生温度相关的时延，再经过索累-巴比涅补偿器6进行相位调节，之后经过四分之一波片7，再经过后选择偏振片8，然后经过第二准直透镜9汇聚后被光谱分析仪10收集分析；所述温度控制腔4中的温度测量装置、光谱分析仪10分别连接计算机11。
所述LED光源1的光谱呈高斯状，中心波长为771nm；所述第一准直透镜2、第二准直透镜9的焦距为40mm，能够使光斑汇聚平行出射不发散，并且出射光保持水平；所述液晶样片5的厚度为20μm；所述索累-巴比涅补偿器6具有0-2π连续可调的延迟，工作波长为365nm-800nm。所述索累-巴比涅补偿器6即Soleil-Babinet Compensator，简称SBC。
根据本发明的另一个方面，提供一种基于量子弱测量理论的光学高精度温度监测方法，尤其是利用所述基于量子弱测量理论的光学高精度温度监测装置的一种基于量子弱测量理论的光学高精度温度监测方法，如图2所示，包括如下步骤：
步骤A：搭建温度传感的量子弱测量光学平台，即基于量子弱测量理论的光学高精度温度监测装置；
步骤B：利用温度测量装置测量温度控制腔4中初始温度，根据初始温度将索累-巴比涅补偿器6调节至初始温度对应的偏置相位；优选地，采用普通的测量误差小于±1℃的温度测量装置测量初始温度就可以满足要求，不需要太高精度的温度测量装置，节约了成本；
步骤C：根据光谱分析仪10接收光的光谱，计算接收光的平均频率，根据接收光的平均频率推导计算当前温度；
步骤D：根据当前温度，将索累-巴比涅补偿器6调节至当前温度对应的偏置相位；
步骤E：重复步骤C、步骤D，实现对温度的实时监测与修正。
所述步骤A包括如下步骤：
步骤A1：准直光源：通过第一准直透镜2准直LED光源1发出的光，保持出射光水平，使其在接收端光程内光斑不发散；记出射光的初始状态为
Figure BDA0002116076380000081
其中，ω表示初始出射光频率，φ(ω)表示光频率的相关波函数，|ω>表示频率态矢量；
步骤A2：调整前选择偏振片3位置及角度：将前选择偏振片3放入光路，位置在第一准直透镜2之后，利用偏振分析仪调整前选择偏振片3的前选择态，使前选择态表示为
Figure BDA0002116076380000082
其中，|H>和|V>分别表示水平偏振态和垂直偏振态；
经过前选择偏振片3之后的出射光的状态表示为
Figure BDA0002116076380000083
其中，|ψi>表示经过前选择后的状态，
Figure BDA0002116076380000084
表示直积；
步骤A3：调整四分之一波片7位置及角度：将四分之一波片7放入光路，位置在前选择偏振片3之后，将四分之一波片7的快轴调整至与前选择偏振片3出射光振动方向相同的方向；优选地，所述四分之一波片7的数量为一片；
步骤A4：调整后选择偏振片8位置及角度：将后选择偏振片8放入光路中，位置在四分之一波片7之后，使后选择偏振片8偏振方向与前选择偏振片3偏振方向垂直；
四分之一波片7与后选择偏振片8构成后选择态，当将后选择偏振片8的光轴方向偏离原位置时，偏移量为ε，后选择态表示为
Figure BDA0002116076380000085
其中，e表示自然对数，j表示虚数单位，ε表示偏移的相位；优选地，一般ε取值为0.1；此时经后选择偏振片8后的光非常微弱；
步骤A5：调整液晶样片5、索累-巴比涅补偿器6的位置及角度：将液晶样片5、索累-巴比涅补偿器6的放入光路中，位置在前选择偏振片3与四分之一波片7之间，液晶样片5放置在温度控制腔4内，索累-巴比涅补偿器6位于液晶样片5之后；调整液晶样片5的光轴，使其光轴在水平偏振态|H>上，调整索累-巴比涅补偿器6的光轴，使其光轴在水平偏振态|H>上；
步骤A6：调整接收端第二准直透镜9、光谱分析仪10位置：将第二准直透镜9、光谱分析仪10放入光路，位于后选择偏振片8之后，其中，第二准直透镜9位于光谱分析仪10之前，准直后选择偏振片8的出射光，使出射光被光谱分析仪10接收到；优选地，通过调整接收端第二准直透镜9、光谱分析仪10位置，使光谱分析仪10接收光强最大。
步骤A7：将温度控制腔4中的温度测量装置、光谱分析仪10分别连接计算机11。
所述液晶样片5的双折射率Δn＝ne-no，其中，ne表示非常光折射率，no表示寻常光折射率，液晶样片5的双折射率Δn随温度变化而变化，液晶样片5双折射率随温度的变化函数Δn(T)为：
Figure BDA0002116076380000091
其中，Δn(T)表示双折射率随温度变化的函数，T表示当前温度，(Δn)0是液晶样片5在0K温度时的双折射率，TC表示液晶样片5清亮点温度，γ表示一个常数，γ与液晶结构相关，选取具体液晶材料后，可利用实验测量温度与双折射率对此常数进行拟合，优选地，液晶样片5采用E7液晶(向列型液晶E7型号)，对于E7液晶和770nm入射光波来说，γ＝0.2513；
则由于温度变化而使通过液晶样片5的水平偏振态|H>的光和垂直偏振态|V>的光之间产生的相位差表示为
Figure BDA0002116076380000092
其中，ω表示初始出射光频率，Δτ表示温度变化导致水平偏振态|H>的光和垂直偏振态|V>的光在液晶样片5内传播的时延差，Δ(Δn)表示液晶样片5双折射率变化量，d表示液晶样片5厚度，c表示光速，T表示当前温度，ΔT表示温度变化。
从前选择偏振片3出射的光在液晶样片5、索累-巴比涅补偿器6经历幺正变换
Figure BDA0002116076380000093
表示幺正变换算子，e表示自然对数，j表示虚数单位，Δβ表示索累-巴比涅补偿器6产生的相位差，τ0表示液晶样片5的初始时延，Δτ表示温度变化导致水平偏振态|H>的光和垂直偏振态|V>的光在液晶样片5内传播的时延差，ω表示初始出射光频率，
Figure BDA0002116076380000101
表示斯托克斯量，
Figure BDA0002116076380000102
其中<H|表示水平偏振态的共轭态，<V|表示垂直偏振态的共轭态；
经过液晶样片5、索累-巴比涅补偿器6之后的出射光的状态表示为
Figure BDA0002116076380000103
所述步骤B包括如下步骤：
步骤B1：对温度控制腔4用温度测量装置测量初始温度；所述温度测量装置的测量误差小于±1℃，所述温度测量装置与液晶样片5均处于温度控制腔4中，保证温度测量装置与液晶样片5处于同一温度环境；
步骤B2：根据初始温度将索累-巴比涅补偿器6调节至初始温度对应的相位，所述索累-巴比涅补偿器6调节相位时遵从如下公式：
Figure BDA0002116076380000104
其中，
Figure BDA0002116076380000105
表示索累-巴比涅补偿器6相位，(Δn)0表示液晶样片5的在温度为0K时的双折射系率，T1表示温度测量装置测得的初始温度，ω0表示初始光中心波长对应的中心频率，即LED光源光谱的中心频率；
经过索累-巴比涅补偿器6之后的水平偏振态|H>的光和垂直偏振态|V>的光之间产生的相位差为Δβ＝ωτSBC，其中，τSBC表示水平偏振态|H>的光和垂直偏振态|V>的光在索累-巴比涅补偿器6中传播的时延差。
所述步骤C中采用如下方法计算接收光平均频率：
经过四分之一波片7与后选择偏振片8后的出射光状态，即经过后选择态的出射光状态表示为
Figure BDA0002116076380000106
其中，
Figure BDA0002116076380000107
表示后选择态
Figure BDA0002116076380000108
的共轭态，
Figure BDA0002116076380000109
表示前选择态，
Figure BDA00021160763800001010
表示出射光的初始状态；
利用泰勒公式展开，化简为
Figure BDA00021160763800001011
其中，θ＝Δβ+(τ0+Δτ)ω，
Figure BDA00021160763800001012
其中Aw表示弱测量理论中的弱值，
Figure BDA00021160763800001013
表示斯托克斯量，
Figure BDA00021160763800001014
表示前选择态
Figure BDA00021160763800001015
与后选择态
Figure BDA00021160763800001016
的内积；
经历后选择态后的出射光，通过第二准直透镜9准直后被光谱分析仪10接收，接收光的光谱分布F(ω)为：
F(ω)＝|<ω|ψf>|2＝sin2(ε-θ)P(ω)＝sin2[-ε+(τSBC+τ0+Δτ)ω/2]P(ω)
其中，<ω|ψf>表示对经历后选择态的出射光的频率ω求强度，P(ω)表示光频谱分布，P(ω)＝|φ(ω)|2，φ(ω)表示光频率的相关波函数；
通过如下公式计算接收光谱的平均频率ωave：
Figure BDA0002116076380000111
所述步骤C中通过如下公式计算当前温度T：
Figure BDA0002116076380000112
所述步骤E不断地测量接收光的光谱，实时计算接收光谱的平均频率，并推算温度的变化量，温度变化量ΔT采用如下公式计算：
Figure BDA0002116076380000113
优选实施例：
首先搭建一个弱测量光学平台，光路如图1所示。光源使用普通LED发光二极管，后接一个小孔和准直透镜，使出射光水平，光斑较小、平行而不发散，光源出射光谱谱形接近于高斯状，中心波长约为771nm，出射光的状态可以记为
Figure BDA0002116076380000114
其中，
Figure BDA0002116076380000115
表示出射光的初始状态，ω为初始光频率，φ(ω)为光频率的相关波函数，|ω＞表示频率态矢量，光频谱分布可以通过公式P(ω)＝|φ(ω)|2计算。随后放置前选择偏振片3，前选择态可表示为
Figure BDA0002116076380000116
其中H表示水平偏振方向，V表示垂直偏振方向，则经过前选择之后的状态可以表示为
Figure BDA0002116076380000117
其中，|ψi>表示经过前选择后的状态，下标i表示initial，
Figure BDA0002116076380000118
表示直积。
后选择由一块四分之一波片7及后选择偏振片8构成，四分之一波片7的光轴与前选择偏振片3光轴相同，后选择偏振片8偏振方向则与前选择偏振片3偏振方向垂直。当将后选择偏振片8的光轴方向稍稍偏离原位置时(偏移量很小，为ε)，后选择态可以表示为
Figure BDA0002116076380000121
其中，e表示自然对数，j表示虚数单位，ε表示偏移的相位，一般ε取值为0.1。
在前选择与后选择之间，是相位调节器(优选采用索累-巴比涅补偿器6)以及液晶样片5。液晶样片5是一块向列相液晶(优选采用E7液晶)，将其光轴对准H方向，其双折射率Δn＝ne-no，其中,ne表示非常光折射率，no表示寻常光折射率，Δn随温度变化而变化，液晶样片5双折射率随温度的变化函数
Figure BDA0002116076380000122
其中(Δn)0是液晶在0K温度时的双折射率，E7液晶在0K时的双折射率为0.3768，TC为液晶样片5清亮点温度，E7液晶清亮点温度为333℃，γ是一个常数，与液晶结构有关，E7液晶的γ为0.2532。则由于温度变化而产生在H光和V光之间的相位差，可以表示为
Figure BDA0002116076380000123
其中，α表示相位差，ω为初始光频率，Δτ为双折射导致两光在晶体内传播的时延差，常温下1℃引起的改变约在10-16s这个量级，Δ(Δn)表示双折射率变化量，d表示液晶样片5厚度，c表示光速，T表示当前温度，ΔT表示温度变化。当温度处在某一个温度(如25℃)时，此时的液晶样片5将有初始的相位差α0＝ωτ0，τ0表示液晶样片5的初始时延。将采用索累-巴比涅补偿器6的光轴与H方向对其，则其可在H光与V光之间产生连续可调的在0～2π之间的相位差Δβ＝ωτSBC，其中，τSBC表示H光与V光在索累-巴比涅补偿器6中传播的时延差。
前选择与后选择中间的部分可以用幺正变换
Figure BDA0002116076380000124
来表示，其中，
Figure BDA0002116076380000125
表示幺正变换算子，e表示自然对数，j表示虚数单位，Δβ表示索累-巴比涅补偿器6产生的相位差，τ0表示液晶样片5的初始时延，Δτ表示由温度变化产生的时延差变化，ω表示初始出射光频率，
Figure BDA0002116076380000126
表示斯托克斯量，
Figure BDA0002116076380000127
其中＜H|表示水平偏振态的共轭态，<V|表示垂直偏振态的共轭态。则经历演化后的态可以表示为
Figure BDA0002116076380000128
其中，|ψ>表示经历演化后(经历前选择和幺正变换后)的态，
Figure BDA0002116076380000129
表示出射光的态，经过后选择后的态可以表示为
Figure BDA00021160763800001210
其中，|ψf>表示经历后选择后的态，
Figure BDA00021160763800001211
表示经历后选择后的态的共轭态，
Figure BDA00021160763800001212
表示前选择态，
Figure BDA00021160763800001213
表示出射光的态，利用泰勒公式展开，可化简为
Figure BDA00021160763800001214
其中，θ＝Δβ+(τ0+Δτ)ω，
Figure BDA0002116076380000131
其中Aw表示弱测量理论中的弱值，
Figure BDA0002116076380000132
表示斯托克斯量，
Figure BDA0002116076380000133
表示前选择态
Figure BDA0002116076380000134
与后选择态
Figure BDA0002116076380000135
的内积。
经过后选择后，接收光的光谱分布为
F(ω)＝|<ω|ψf>|2＝sin2(ε-θ)P(ω)＝sin2[-ε+(τSBC+τ0+Δτ)ω/2]P(ω)
其中，<ω|ψf>表示对经历后选择态的出射光的频率ω求强度，P(ω)表示光频谱分布，P(ω)＝|φ(ω)|2，φ(ω)表示光频率的相关波函数；
设初始光谱呈高斯分布，即
Figure BDA0002116076380000136
其中
Figure BDA0002116076380000137
是光谱线宽，ω0是初始光的中心频率。则经历前选择、幺正变换以及后选择后，即经历前选择偏振片3、液晶样片5、索累-巴比涅补偿器6、四分之一波片7以及后选择偏振片8后，中心频率的移动Δω为
Figure BDA0002116076380000138
其中，τ表示总的时延差，τ＝τSBC+τ0+Δτ；
当(τSBC+τ0)ω0-2ε≈0时，
Figure BDA0002116076380000139
此时若采用分辨率达到0.04pm的光谱分析仪10计算光谱的平均波长移动，则可分辨的最小Δτ可达到10-23s，即温度分辨率可达到10-9℃。在超高精度的优势下，牺牲的是可检测的温度范围以及信噪比，若温度的变化超过0.01℃，由平均波长的移动推算温度变化将变得十分复杂且不准确。因而，在温度波动范围相对较大的情况下，我们需要考虑其它的(τSBC+τ0)ω这一相位组合。当(τSBC+τ0)ω0-2ε≈2nπ时，
Figure BDA00021160763800001310
n表示整数1，2，3……。随着n的增加，灵敏度会降低，相应的测量精度也会下降，但是，由于弱测量是牺牲探测强度换取探测精度的一种测量方法，故而随着n的增加，装置接收光强变强，抗噪能力也会得到增强。一般地，我们采用(τSBC+τ0)ω0-2ε≈4π的偏置相位，τSBC表示索累-巴比涅补偿器6产生的时延差，τ0表示液晶样片5产生的初始时延差。
在测量光学平台监测温度之前，我们需要利用普通温度测量设备粗略测量待测环境的温度，利用得到的温度调节索累-巴比涅补偿器6的相位，使索累-巴比涅补偿器6的相位与粗略测得的环境温度匹配，具体为：
Figure BDA0002116076380000141
其中，(Δn)0为液晶的在温度为0K时的双折射率，对E7液晶(Δn)0为0.3768；Tc为液晶样片5的清亮点的温度，对于选择的E7液晶Tc为333℃；γ为材料系数，对E7液晶γ为0.2532；d为液晶样片5的厚度，取为20μm；c为光速；ω0是初始光中心波长对应的中心频率；T1为测得的初始温度。随后，利用温度监测装置得到此时的接收光的平均波长，计算得到此时的精确温度，随后，将计算得到的精确温度T替换公式中的T1，将索累-巴比涅补偿器6的相位调节至精确环境温度所对应的位置，即可对在此区间内变化的温度进行细微的测量。此时的温度变化对应的测量灵敏度最高可达9×10-7℃。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (3)

1.一种基于量子弱测量理论的光学高精度温度监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤A：搭建温度传感的量子弱测量光学平台，即基于量子弱测量理论的光学高精度温度监测装置；
步骤B：利用温度测量装置测量温度控制腔(4)中初始温度，根据初始温度将索累-巴比涅补偿器(6)调节至初始温度对应的偏置相位；
步骤C：根据光谱分析仪(10)接收光的光谱，计算接收光的平均频率，根据接收光的平均频率推导计算当前温度；
步骤D：根据当前温度，将索累-巴比涅补偿器(6)调节至当前温度对应的偏置相位；
步骤E：重复步骤C、步骤D，实现对温度的实时监测与修正；
所述步骤A包括如下步骤：
步骤A1：准直光源：通过第一准直透镜(2)准直LED光源(1)发出的光，保持出射光水平，使其在接收端光程内光斑不发散；记出射光的初始状态为
Figure FDA0002421816760000011
其中，ω表示初始出射光频率，φ(ω)表示光频率的相关波函数，|ω>表示频率态矢量；
步骤A2：调整前选择偏振片(3)位置及角度：将前选择偏振片(3)放入光路，位置在第一准直透镜(2)之后，利用偏振分析仪调整前选择偏振片(3)的前选择态，使前选择态表示为
Figure FDA0002421816760000012
其中，|H>和|V>分别表示水平偏振态和垂直偏振态；
经过前选择偏振片(3)之后的出射光的状态表示为
Figure FDA0002421816760000013
其中，|ψi>表示经过前选择后的状态，
Figure FDA0002421816760000014
表示直积；
步骤A3：调整四分之一波片(7)位置及角度：将四分之一波片(7)放入光路，位置在前选择偏振片(3)之后，将四分之一波片(7)的快轴调整至与前选择偏振片(3)出射光振动方向相同的方向；
步骤A4：调整后选择偏振片(8)位置及角度：将后选择偏振片(8)放入光路中，位置在四分之一波片(7)之后，使后选择偏振片(8)偏振方向与前选择偏振片(3)偏振方向垂直；
四分之一波片(7)与后选择偏振片(8)构成后选择态，当将后选择偏振片(8)的光轴方向偏离原位置时，偏移量为ε，后选择态表示为
Figure FDA0002421816760000021
其中，e表示自然对数，j表示虚数单位，ε表示偏移的相位；
步骤A5：调整液晶样片(5)、索累-巴比涅补偿器(6)的位置及角度：将液晶样片(5)、索累-巴比涅补偿器(6)的放入光路中，位置在前选择偏振片(3)与四分之一波片(7)之间，液晶样片(5)放置在温度控制腔(4)内，索累-巴比涅补偿器(6)位于液晶样片(5)之后；调整液晶样片(5)的光轴，使其光轴在水平偏振态|H>上，调整索累-巴比涅补偿器(6)的光轴，使其光轴在水平偏振态|H>上；
步骤A6：调整接收端第二准直透镜(9)、光谱分析仪(10)位置：将第二准直透镜(9)、光谱分析仪(10)放入光路，位于后选择偏振片(8)之后，其中，第二准直透镜(9)位于光谱分析仪(10)之前，准直后选择偏振片(8)的出射光，使出射光被光谱分析仪(10)接收到；
步骤A7：将温度控制腔(4)中的温度测量装置、光谱分析仪(10)分别连接计算机(11)；
所述液晶样片(5)的双折射率Δn＝ne-no，其中，ne表示非常光折射率，no表示寻常光折射率，液晶样片(5)的双折射率Δn随温度变化而变化，液晶样片(5)双折射率随温度的变化函数Δn(T)为：
Figure FDA0002421816760000022
其中，Δn(T)表示双折射率随温度变化的函数，T表示当前温度，(Δn)0是液晶样片(5)在0K温度时的双折射率，TC表示液晶样片(5)清亮点温度，γ表示一个常数，γ与液晶结构相关；
则由于温度变化而使通过液晶样片(5)的水平偏振态|H>的光和垂直偏振态|V>的光之间产生的相位差表示为
Figure FDA0002421816760000023
其中，ω表示初始出射光频率，Δτ表示温度变化导致水平偏振态|H>的光和垂直偏振态|V>的光在液晶样片(5)内传播的时延差，Δ(Δn)表示液晶样片(5)双折射率变化量，d表示液晶样片(5)厚度，c表示光速，T表示当前温度，ΔT表示温度变化；
从前选择偏振片(3)出射的光在液晶样片(5)、索累-巴比涅补偿器(6)经历幺正变换
Figure FDA0002421816760000031
Figure FDA0002421816760000032
表示幺正变换算子，e表示自然对数，j表示虚数单位，Δβ表示索累-巴比涅补偿器(6)产生的相位差，τ0表示液晶样片(5)的初始时延，Δτ表示温度变化导致水平偏振态|H>的光和垂直偏振态|V>的光在液晶样片(5)内传播的时延差，ω表示初始出射光频率，
Figure FDA0002421816760000033
表示斯托克斯量，
Figure FDA0002421816760000034
其中<H|表示水平偏振态的共轭态，〈V|表示垂直偏振态的共轭态；
经过液晶样片(5)、索累-巴比涅补偿器(6)之后的出射光的状态表示为
Figure FDA0002421816760000035
所述步骤B包括如下步骤：
步骤B1：对温度控制腔(4)用温度测量装置测量初始温度；所述温度测量装置的测量误差小于±1℃，所述温度测量装置与液晶样片(5)均处于温度控制腔(4)中；
步骤B2：根据初始温度将索累-巴比涅补偿器(6)调节至初始温度对应的相位，所述索累-巴比涅补偿器(6)调节相位时遵从如下公式：
Figure FDA0002421816760000036
其中，
Figure FDA0002421816760000037
表示索累-巴比涅补偿器(6)相位，(Δn)0表示液晶样片(5)在温度为0K时的双折射系率，T1表示温度测量装置测得的初始温度，ω0表示初始光中心波长对应的中心频率，即LED光源光谱的中心频率；
经过索累-巴比涅补偿器(6)之后的水平偏振态|H>的光和垂直偏振态|V>的光之间产生的相位差为Δβ＝ωτSBC，其中，τSBC表示水平偏振态|H>的光和垂直偏振态|V>的光在索累-巴比涅补偿器(6)中传播的时延差；
所述步骤C中采用如下方法计算接收光平均频率：
经过四分之一波片(7)与后选择偏振片(8)后的出射光状态，即经过后选择态的出射光状态表示为
Figure FDA0002421816760000038
其中，
Figure FDA0002421816760000039
表示后选择态
Figure FDA00024218167600000310
的共轭态，
Figure FDA00024218167600000311
表示前选择态，
Figure FDA00024218167600000312
表示出射光的初始状态；
利用泰勒公式展开，化简为
Figure FDA00024218167600000313
其中，θ＝Δβ+(τ0+Δτ)ω，
Figure FDA0002421816760000041
其中Aw表示弱测量理论中的弱值，
Figure FDA0002421816760000042
表示斯托克斯量，
Figure FDA0002421816760000043
Figure FDA0002421816760000044
表示前选择态
Figure FDA0002421816760000045
与后选择态
Figure FDA0002421816760000046
的内积；
经历后选择态后的出射光，通过第二准直透镜(9)准直后被光谱分析仪(10)接收，接收光的光谱分布F(ω)为：
F(ω)＝|<ω|ψf>|2＝sin2(ε-θ)P(ω)＝sin2[-ε+(τSBC+τ0+Δτ)ω/2]P(ω)
其中，<ω|ψf〉表示对经历后选择态的出射光的频率ω求强度，P(ω)表示光频谱分布，P(ω)＝|φ(ω)|2，φ(ω)表示光频率的相关波函数；
通过如下公式计算接收光谱的平均频率ωave：
Figure FDA0002421816760000047
所述步骤C中通过如下公式计算当前温度T：
Figure FDA0002421816760000048
所述步骤E不断地测量接收光的光谱，实时计算接收光谱的平均频率，并推算温度的变化量，温度变化量ΔT采用如下公式计算：
Figure FDA0002421816760000049
2.一种基于量子弱测量理论的光学高精度温度监测装置，其特征在于，采用权利要求1所述的基于量子弱测量理论的光学高精度温度监测方法进行温度监测，包括：LED光源(1)、第一准直透镜(2)、前选择偏振片(3)、温度控制腔(4)、液晶样片(5)、索累-巴比涅补偿器(6)、四分之一波片(7)、后选择偏振片(8)、第二准直透镜(9)、光谱分析仪(10)以及计算机(11)；
所述LED光源发射的光经第一准直透镜(2)准直后，经过前选择偏振片(3)，然后在温度控制腔(4)和液晶样片(5)处产生温度相关的时延，再经过索累-巴比涅补偿器(6)进行相位调节，之后经过四分之一波片(7)，再经过后选择偏振片(8)，然后经过第二准直透镜(9)汇聚后被光谱分析仪(10)收集分析；所述温度控制腔(4)中的温度测量装置、光谱分析仪(10)分别连接计算机(11)。
3.根据权利要求2所述的基于量子弱测量理论的光学高精度温度监测装置，其特征在于，所述LED光源(1)的光谱呈高斯状，中心波长为771nm；
所述第一准直透镜(2)、第二准直透镜(9)的焦距为40mm，能够使光斑汇聚平行出射不发散，并且出射光保持水平；
所述液晶样片(5)的厚度为20μm；
所述索累-巴比涅补偿器(6)具有0-2π连续可调的延迟，工作波长为365nm-800nm。
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High-precision temperature measurement based on weak measurement using nematic liquid crystals;Hongjing Li等;《Applied Physics Letters》;20180531;第112卷(第23期);第231901-1-231901-4页 *
基于弱测量技术的Sagnac光路超短时间延迟测量研究;余扬等;《量子光学学报》;20160430;第22卷(第4期);第321-326页 *

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