CN114324247A - 基于量子弱测量的双通道探测的光学测量方法及应用 - Google Patents
基于量子弱测量的双通道探测的光学测量方法及应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于量子弱测量的双通道探测光学测量方法，将样品置于量子弱测量系统中，通过平行双通道接收量子弱测量系统输出的光束；然后计算得到光束振幅偏移量和相位偏移量。本发明在测量光路中，以样品变化引起的光的相位和振幅变化作为量子弱测量系统的前选择量子态参数，利用弱值放大效应，通过测量放大后的光强变化实现对光束振幅和相位变化的高精度测量，是一种高灵敏度、高精度的偏振测量技术。本发明提供的基于量子弱测量的双通道探测光学测量方法，能够同时实现光束相位和振幅的高精度测量，在折射率传感测量、痕量检测及微小长度变化的测量领域具有良好的应用前景，且为研制高灵敏度折射率传感器和光学精密传感器等提供了很好的研发思路。
Description
技术领域
本发明属于光学精密测量技术领域，涉及基于量子弱测量的光学参数测量技术，尤其涉及一种基于量子弱测量的双通道探测的光学测量方法及应用，实现对光学相位、振幅等光学参数微小变化量的高精度测量，可提升光学测量技术的精密和灵敏度。
背景技术
利用光学手段进行精密测量和研究物质特性已被广泛应用。光与物质相互作用时，导致其振幅、相位及光谱发生变化。利用这些参数变化可以测量材料的光学参数(如折射率，反射率，透射率，磁化率，消光系数，介电常数等)，进而获得待测物质的内部原子和分子的聚集态和对称性，以及电子在能带和晶格振动态之间的分布和跃迁机制。
在光学加工领域，通常采用光学手段对衬底、膜层厚度、面形、表面微结构及光学常数进行精密检测和表征，通常需要考虑对复数反射(透射)系数进行高精度、高分辨率的测量。在磁学领域，当线偏振光在具有磁矩的介质表面发生反射时，左旋光与右旋光在磁性材料中的吸收系数(或反射系数)不同产生振幅差，在介质中传播速度的差异导致相位差，由此产生的磁圆二色谱(MCD)和磁光克尔效应(MORK)，高精度的测量MCD和MORK已成为测量磁性参数的重要手段。在生物医学检测和传感领域，如测量分子的光学活性、分子特异性结合等，光学测量也是重要的手段。此外，光学精密测量也在在工程技术领域发挥重要作用，如激光雷达、目标跟踪和识别、精密物理参数测量等。以上诸多领域的光学测量中，主要涉及振幅和相位两个关键光学参数，而这两个关键参数又通常同时存在，并关联在一起。超高精度的同时测量振幅和相位的微小变化信息非常困难，且重要。
目前，同时获得相位和振幅变化的传统方法是椭圆偏振法、Kramers-kronig关系、全息、同相和正交解调等。这些方案装置复杂，一般都需要两次及以上测量才能反演出光的相位和振幅变化量，且测量精度受到各种技术噪声的干扰，测量精度受到限制。
发明内容
针对目前光学测量技术中难以实现对振幅和相位同时实现高精度测量的技术现状，本发明目的旨在提供一种基于量子弱测量的双通道探测的光学测量方法，能够实现相位振幅同时高精度测量，大大压缩工作噪声，提高测量精度。
本发明的另一目的旨在提供一种基于量子弱测量的双通道探测的光学测量方法的应用。
本发明的发明构思为：将样品置于量子弱测量系统中，引入光束相位和振幅变化，相位变化量和振幅变化量可作为后选择量子态参数，利用前选择和后选择构建量子弱测量系统，对光束进行弱值放大；再通过双通道探测器对后选择之后的光强进行同时探测。基于该光学测量技术同时探测的光强分布，实现对光学相位和振幅的参数分离，进而实现通过单次测量同时获得高精度的相位和振幅微小变化。该光学测量技术对光场强度波动不敏感，对噪声的抑制能力较强，也可作为一种实时、无标记的高灵敏度光学测量和传感技术，在物理、化学、生物及医药等领域有广泛应用前景。
为达到上述目的，本发明提供的基于量子弱测量的双通道探测的光学测量方法，其步骤如下：将样品置于量子弱测量系统中，通过平行双通道接收量子弱测量系统输出的光束；然后，依据以下公式计算得到光束振幅变化量和相位变化量：
式中，I1和I2分别表示双通道各自接收的总光强；Id表示双通道各自接收的总光强之差，It表示双通道各自接收的总光强之和；α和β分别表示相位变化量和振幅变化量；I0表示初始光束光强；γ表示弱耦合参数，是指量子弱测量系统中光束的微小分裂或微小偏移(可以是光束在坐标空间或动量空间产生的微小分裂，如光子自选霍尔效应自旋横移或角移；或者沃拉斯顿棱镜引起的光束分裂；或者Goos-
(GH)位移；或者Imbert-Fedorov(IF)位移；或者光束在频率空间的微小偏移量；或者光束在时域空间产生的微小偏移量等)；ΔF表示量子弱测量系统输入光束的不确定度，F0表示输入光束的中心位置，本发明中输入光束为高斯光束，高斯分布可以是关于位置、动量、频率或时间的分布，因此ΔF表示高斯光束的不确定度，取值为半峰宽；C表示量子弱测量系统的工作系数，可以需根据量子弱测量系统中弱耦合产生方式来设定，例如当基于反射方式时，C为菲涅尔反射系数；当基于透射方式时，C为菲涅尔透射系数。
上述
|Ψ>表示量子弱测量系统中光束经后选择态制备器得到的后选择量子态；F0表示输入光束的中心位置，可以为光束质心位置，或者光束中心波矢位置，或者光束中心频率，或者光束中心波长。
上述基于量子弱测量的双通道探测的光学测量方法，量子弱测量系统包括前选择态制备器、弱耦合器和后选择态制备器；所述样品置于弱耦合器之前或之后。
当样品置于弱耦合器之前时，入射光束经前选择态制备器入射到样品表面，在样品表面发生反射或透射，反射光或透射光经弱耦合器后再经后选择态制备器后输出；
当样品置于弱耦合器之后时，入射光束经前选择态制备器和弱耦合器，入射到样品表面，在样品表面发生反射或透射，反射光或透射光经后选择态制备器后输出。
上述基于量子弱测量的双通道探测的光学测量方法，所述入射光束由光发生装置产生。所述光发生装置包括光源发生器。所述光源发生器用于提供偏振光源，可以为激光器、激光二极管、超辐射发光二极管、白光发生器和量子光源发生器等中的一种。为了实现对光源发生器出射的光束进行能量调节，可以在光源发生器出射光路上进一步设置能量调节器。所述能量调节器用于对由光源发生器发出的光束能量进行调节，可以为二分之一波片或中性衰减片；对于二分之一波片，通过调节其透振方向与入射光偏振方向的夹角实现对光能量的调节。为了对光束进行汇聚，所述光发生装置还可以进一步包括位于能量调节器后方的第一光束变换器，所述第一光束变换器可以为单个透镜或多个透镜组成的透镜组。
上述基于量子弱测量的双通道探测的光学测量方法，所述前选择态制备器主要用于构造合适的前选择量子态，将发光装置发出的光束调整为水平或垂直平面偏振光(平面偏振光也称线偏振光)，以使平面偏振光束入射到样品界面，经该界面反射或者透射后形成椭圆偏振光。所述前选择态制备器可以为格兰激光偏振镜、沃拉斯顿棱镜或偏振片。经前选择态制备器制备的光束偏振态为量子弱测量系统的前选择量子态。
上述基于量子弱测量的双通道探测的光学测量方法，所述弱耦合器用于在量子弱测量过程中引入弱耦合作用，将样品引入的光束振幅和相位变化关联耦合到量子弱测量系统中，弱耦合可以是光束在样品界面反射或折射产生的光子自旋分裂，或者是双折射效应引起的光束分裂，或者Goos-
(GH)位移，或者Imbert-Fedorov(IF)位移，光束在频率空间的微小偏移量，或者光束在时域空间产生的微小偏移量，或者微小的光程差等，可以采用常规的棱镜，双折射晶体，色散介质，干涉仪或二分之一波片等作为弱耦合器，产生这些微小的偏移量。
上述基于量子弱测量的双通道探测的光学测量方法，所述后选择态制备器用于将从样品反射或者透射的引入弱耦合作用的光束投影到确定的偏振态，即后选择量子态。本发明中，所述后选择态制备器可以为格兰激光偏振镜、沃拉斯顿棱镜或偏振片。所述后选择态制备器设定的光束偏振方向与前选择态制备器设定的光束偏振方向相垂直，以实现高精度和高灵敏度的测量。所述后选择态制备器后面可以进一步设置第二光束变换器，用于将光束引入到双通道探测器，所述第二光束变换器可以为单个透镜或多个透镜组成的透镜组。
上述基于量子弱测量的双通道探测的光学测量方法，以双通道探测器作为独立的两个通道接收量子弱测量系统输出的光束。基于双通道探测器接收的两个光强分布，得到双通道各自接收的总光强。所述双通道探测器包括两个独立的光电探测区域，具有以下几种实现形式：(1)所述双通道探测器为平行设置的两个光电探头，两个光电探头输出端接入信号处理系统；(2)所述双通道探测器为两个分离的单点探测器，分别探测两个独立的光强，两个单点探测器的输出端接入信号处理系统；(3)所述双通道探测器为阵列光电转换器，将阵列光电转化器输出均分为两部分，由阵列光电转换器输出端设置的两个输出通道分别输出，两个输出通道接入信号处理系统。所述光电探头或阵列光电转换器为实现弱光探测的光电转换器、电荷耦合元件、光电倍增管或位置敏感探测器等。所述信号处理系统用于依据接收的来自双通道探测器的信号得到光束光斑图像及光强分布，并依据光强分布得到各通道的总光强。
上述基于量子弱测量的双通道探测的光学测量方法，所针对的样品为透明或半透明的固体、液体或气体；当样品为液体或气体时，测量时需要将其放入透明、半透明容器中；当样品不透明时，可以探测反射光束。
上述基于量子弱测量的双通道探测的光学测量方法，所述量子弱测量系统首先需要校准，步骤为：量子弱测量系统未放置样品时或将标准样品置于量子弱测量系统中时，通过双通道接收量子弱测量系统输出的光束；调整量子弱测量系统直至两个通道分别接收到的光束强度相等。在具体实现方式中，主要是通过调整后选择态制备器，使从前选择态制备器出来的光束偏振态与后选择态制备器出来的光束偏振态正交，以使探测器接收到的光信号最弱(即使无相位、振幅变化的后选择量子态与前选择量子态正交，从而起到明显的放大作用)，并观察到对称分布的等大光斑或双峰形光斑；同时调整双通道探测器的位置，使光斑分别对称的位于双通道探测器的两个探测面上，且两个通道分别接收到的光束强度相等。
本发明进一步提供了上述基于量子弱测量的双通道探测的光学测量方法在样品手征光信号测量，磁光测量，薄膜厚度测量，微小长度变化的测量，折射率测量或者痕量检测中的应用。
上述基于量子弱测量的双通道探测的光学测量方法用于测量样品手征光信号时，将手性待测样品置于量子弱测量系统中，通过上述双通道探测的光学测量方法获得光束振幅变化量和相位变化量，则待测样品的旋光角为α和圆二色性为β。
上述基于量子弱测量的双通道探测的光学测量方法用于测量样品磁光信号(如磁光克尔(反射光)和磁光法拉第(透射光)，以及磁圆二色性)时，将待测样品置于量子弱测量系统中，通过上述双通道探测的光学测量方法获得从磁性样品表面反射或透射光束在外磁场下的振幅变化量和相位变化量，则待测样品的磁光克尔旋光角即为α和磁圆二色性即β。
上述基于量子弱测量的双通道探测的光学测量方法用于测量样品折射率变化时，将待测样品置于量子弱测量系统中时，通过上述双通道探测的光学测量方法获得光与样品相互作用后引起的振幅变化量和相位变化量，将振幅和相位的变化对应于样品的折射率变化，则待测样品的折射率变化为
样品的浓度变化：
其中，λ为入射光波长，L为光通过样品的长度。如果Δn和Δη与某种物质的含量有关，则可以通过Δn和Δη进行某种物质含量的测量。
上述基于量子弱测量的双通道探测的光学测量方法用于测量薄膜样品厚度和折射率的测量时，基于椭偏测量技术，首先按照前面给出的基于量子弱测量的双通道探测的光学测量方法，可以获得椭偏测量参数。将薄膜样品置于量子弱测量系统中时，通过上述双通道探测的光学测量方法探测反射光的椭偏参数对应关系如下：
其中tanψ和Δ分别表示p光和s光反射系数的实数值和相对相位变化值，同时分别对应于椭偏仪的两个测量参数(振幅比和相位移)，进而可以根据椭偏仪的工作原理可以进行薄膜厚度和折射率的测量。
上述基于量子弱测量的双通道探测的光学测量方法用于测量微小长度变化量(包括物体位移的微小变化和物体长度的微小变化)时，将物体的位移变化量或长度变化量等效成光的相位变化量
通过上述双通道探测的光学测量方法获得相位变化量，则待测的长度变化
λ为入射光波长。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的基于量子弱测量的双通道探测的光学测量方法，在测量光路中，以样品变化引起的光束的相位和振幅变化作为量子弱测量系统的前选择量子态参数，利用弱值放大效应，通过测量放大后的光强变化实现对光束振幅和相位变化的高精度测量，是一种高灵敏度、高精度的偏振测量技术。
2、本发明提供的基于量子弱测量的双通道探测的光学测量方法，可实现基于一条光路、一次测量同时获取相位和振幅参数，具有光路简单、操作便捷等优点，适于在本领域内推广使用。
3、本发明提供的基于量子弱测量的双通道探测的光学测量方法，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，实现样品在其自然状态下高精度、高灵敏度的测量。
4、本发明提供的基于量子弱测量的双通道探测的光学测量方法，能够同时实现光束相位和振幅的高精度测量，在手征光信号测量、磁光测量、薄膜厚度和折射率测量；折射率传感测量、痕量检测及微小长度变化的测量领域具有良好的应用前景，且为研制高灵敏度折射率传感器和光学精密传感器等提供了很好的研发思路。
附图说明
图1为实施例2提供的基于量子弱测量的双通道探测的光学测量方法原理示意图；图中，11-光源发生器，12-能量调节器，13-第一光束变换器，14-前选择态制备器，15-弱耦合器，16-样品，17-后选择态制备器，18-第二光束变换器，19-双通道探测器。
图2为实施例2中弱耦合器与后选择态制备器之间位置关系。
图3为实施例2测量到的双通道光强随相位、振幅变化示意图；其中，(a)和(b)对应双通道光强随相位变化示意图(振幅为0)，(c)和(d)对应双通道光强随振幅变化示意图(相位为0)，(e)和(f)对应双通道光强随相位和振幅同时变化示意图；(a)、(c)、(e)中插图表示的是双通道探测器测量的两个光强分布图像。
图4为实施例4提供的基于量子弱测量的双通道探测的光学测量方法原理示意图；
图中，21-光发生装置，22-能量调节器，23-第一光束变换器，24-前选择态制备器，25-样品，26-弱耦合器，27-后选择态制备器，28-第二光束变换器，29-双通道探测器。
图5为实施例6提供的基于量子弱测量的双通道探测的光学测量方法原理示意图；
图中，31-光发生装置，32-能量调节器，33-第一光束变换器，34-前选择态制备器，35-样品，36-弱耦合器，37-后选择态制备器，38-第二光束变换器，39-双通道探测器，310-磁场发生装置。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明实施例的技术方案进行清晰、完整的描述，显然，所描述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明。
实施例1
本实施例提供了一种基于量子弱测量的双通道探测的光学测量方法，其步骤如下：将样品置于量子弱测量系统中，通过双通道接收量子弱测量系统输出的光束；然后，依据以下公式计算得到光束振幅变化量和相位变化量：
式中，I1和I2分别表示双通道各自接收的总光强；Id表示双通道各自接收的总光强之差，It表示双通道各自接收的总光强之和；α和β分别表示相位变化量和振幅变化量；I0表示初始光束光强；γ表示弱耦合参数；ΔF表示输入光束的不确定度；F0表示输入光束的中心位置；C表示量子弱测量系统的工作系数。
本实施例中，以高斯光束作为入射光束，高斯分布是关于动量的分布，ΔF表示高斯光束的不确定度，取值为动量半峰宽，具体为
w表示入射光束分布的束腰。
本实施例中，
|Ψ>表示量子弱测量系统中光束经后选择态制备器得到的后选择量子态；F0表示量子弱测量系统输入光束的中心位置，这里可以令F0＝0。
本实施例中，以三棱镜作为量子弱测量系统的弱耦合器，这里弱耦合参数γ为光束水平方向经三棱镜后初始自旋分裂大小，
k＝2π/λ，表示光束的波矢，λ表示入射光束的波长，rp、rs分别为量子弱测量系统入射光束的水平和垂直电矢量的菲涅尔反射系数：
式中，n1和n2分别代表空气和三棱镜的折射率，θ代表入射角。
本实施例中，C＝rp。
因此，本实施例中，
式中，
表示瑞利距离。
实施例2
本实施例是在实施例1基础上进行的进一步改进。
本实施例提供的基于量子弱测量的双通道探测的光学测量方法，基于的测量装置，如图1所示，其包括顺次设置的发光装置、前选择态制备器14，弱耦合器15，后选择态制备器17，第二光束变换器18和双通道探测器19。上述发光装置由依次设置的光源发生器11、能量调节器12和第一光束变换器13构成。上述前选择态制备器14、弱耦合器15和后选择态制备器17构成量子弱测量系统。样品16置于弱耦合器15之后。
本实施例中，以激光器作为光源发生器；以二分之一波片作为能量调节器；以焦距为50mm的凸透镜作为第一光束变换器；以两个格兰激光偏振镜分别作为前选择态制备器和后选择态制备器；以三棱镜作为弱耦合器；以焦距为250mm的凸透镜作为第二光束变换器。双通道探测器包括一个光电倍增管，光电倍增管输出端设置两根传输线作为两个输出通道，并分别接入信号处理系统。信号处理系统为具有图像处理功能的计算机，计算机依据两个输出通过分别传输的信号显示光强分布图像，并给出由光强分布图像得到的总光强。
上述测量装置工作原理为：由光源发生器11发出的激光依次经能量调节器12、第一光束转换器13、前选择态制备器14，以30°角入射到作为弱耦合器的三棱镜的入射面产生反射光束，从三棱镜反射出的反射光束依次经样品16、后选择态制备器17、第二光束变换器18后，由双通道探测器19接收。光束经前选择态制备器14后的光束偏振态为前选择量子态，经后选择态制备器17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透射光路中的后选择量子态之间构成实现样品测量的量子弱测量光路部分；调整前选择态制备器14、后选择态制备器17，从而使后选择量子态与前选择量子态完全垂直。
本实施例以提供的基于量子弱测量的双通道探测的光学测量方法步骤如下：
S1：量子弱测量系统未放置样品时，由光发生装置发出的光束经前选择态制备器、弱耦合器产生反射光束，反射光束依次经后选择态制备器、第二光束变换器，由双通道探测器接收；调节后选择态制备器，使从前选择态制备器出来的光束偏振态与偏振态选择器出来的光束偏振态正交，以使探测器接收到的光信号最弱，并观察到对称分布的双峰形光斑；同时调整双通道探测器的位置，使双峰分别对称的位于双通道探测器接收的两个探测面上，且两个通道分别接收到的光束强度相等；
S2：将测试样品置于弱耦合器和后选择态制备器之间，且位于反射光路中，然后分别记录双通道探测器接收的两个光斑的总光强I1和I2；根据公式(3)和(4)计算得到光束的相位变化量和振幅变化量。
为了说明本发明提供的方法能够测量因样品而引入光束振幅和相位变化，本实施例中不加入四分之一时校准量子弱测量系统。以四分之一波片作为测试样品。四分之一波片为本领域常规波片，当四分之一波片和后选择态制备器(以P2表示)放置对应角度不同时，会引起光束不同相位和振幅的变化，如图2所示。
首先，按照步骤S1，对量子弱测量系统进行校准，双通道探测器接收到两个等大(即对称、且光强相同)的光斑。
当无四分之一波片，后选择态制备器光轴微偏离y方向时，其对光束的振幅没有影响，也即β＝0。转动后选择态制备器，同时记录双通道探测器接收到的两个光斑的光强，计算得到Id和It，依据前面公式(3)和(4)便可得到光束振幅变化量，进而得到如图3(a)和(b)所示Iδ和I随光束相位变化量变化的曲线。
当四分之一波片光轴位于y方向，后选择态制备器光轴微偏离y方向时，其对光束的相位没有影响，也即α＝0。转动后选择态制备器，同时记录双通道探测器接收到的两个光斑的光强，计算得到Id和It，依据前面公式(3)和(4)便可得到光束振幅变化量，进而得到如图3(c)和(d)所示Id和It随光束相位变化量变化的曲线。
当四分之一波片光轴微偏离y方向，后选择态制备器光轴位于y方向时，其对光束的振幅和相位的影响是一样的，也即α＝β。转动四分之一波片，同时记录双通道探测器接收到的两个光斑的光强，计算得到Id和It，依据前面公式(3)和(4)便可得到光束相位变化量和振幅变化量，进入得到如图3(e)和(f)所示Id和It随光束相位变化量和振幅变化量变化的曲线。
从图3中可以看出，对于没有振幅变化的情况β＝0，Id和It都显示出对相位变化的高灵敏度，如图3(a)和3(b)所示。在没有相位变化α＝0，总强度It随振幅变化而变化，而差值Id强度基本不变，如图3(c)和3(d)所示。在相位和振幅变化都存在(α＝β)的情况下，图3(e)中的实验结果与图3(a)中的结果相似，这表明振幅变化的存在对差值强度Id没有影响。获得相位差后，可根据图3(f)的结果获得振幅变化。
由此可见，本发明提供的基于量子弱测量的双通道探测的光学测量方法，可以实现对由样品变化引起的光束的相位变化量和振幅变化量。且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分裂值扩大至少103倍，从而实现对样品极小改变的测量。
实施例3
本实施例提供了一种基于量子弱测量的双通道探测的光学测量方法，其步骤如下：将样品置于量子弱测量系统中，通过双通道接收量子弱测量系统输出的光束；然后，依据以下公式计算得到光束振幅变化量和相位变化量：
式中，I1和I2分别表示双通道各自接收的总光强；Id表示双通道各自接收的总光强之差，It表示双通道各自接收的总光强之和；α和β分别表示相位变化量和振幅变化量；I0表示初始光束光强；γ表示弱耦合参数；ΔF表示输入光束的不确定度；F0表示输入光束的中心位置；C表示量子弱测量系统的工作系数。
本实施例中，以高斯光束作为入射光束，高斯分布是关于动量的分布，ΔF表示高斯光束的不确定度，取值为动量半峰宽，具体为
w表示入射光束分布的束腰。
本实施例中，
|Ψ>表示量子弱测量系统中光束经后选择态制备器得到的后选择量子态；F0表示量子弱测量系统入射光束的中心位置，这里可以令F0＝0。
本实施例中，以沃拉斯顿棱镜作为量子弱测量系统的弱耦合器，这里弱耦合参数γ为光束经沃拉斯顿棱镜后的动量或者位置偏移。
本实施例中，C＝1。
因此，本实施例中，
实施例4
本实施例提供的基于量子弱测量的双通道探测的光学测量方法，基于的测量装置如图4所示，其包括顺次设置的发光装置、前选择态制备器24，弱耦合器26，后选择态制备器27，第二光束变换器28和双通道探测器29。上述发光装置由依次设置的光源发生器21、能量调节器22和第一光束变换器23构成。上述前选择态制备器24、弱耦合器26和后选择态制备器27构成量子弱测量系统。样品25置于弱耦合器26之前。
本实施例中，以激光器作为光源发生器；以二分之一波片作为能量调节器；以焦距为50mm的凸透镜作为第一光束变换器；以两个格兰激光偏振镜分别作为前选择态制备器和后选择态制备器；以沃拉斯顿棱镜作为弱耦合器；以焦距为250mm的凸透镜作为第二光束变换器。双通道探测器包括两个平行设置的光电探头，两个光电探头输出端分别接入信号处理系统。本实施例中，以光电倍增管作为光电探头。信号处理系统为具有图像处理功能的计算机，计算机依据两个输出通过分别传输的信号显示光强分布图像，并给出由光强分布图像得到的总光强。
上述测量装置工作原理为：由光源发生器21发出的激光依次经能量调节器22、第一光束转换器23、前选择态制备器24入射到样品25表面，经样品25产生的透射光束依次经弱耦合器26、后选择态制备器27、第二光束变换器28后，由双通道探测器29接收。光束经前选择态制备器24后的光束偏振态为前选择量子态，经后选择态制备器27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透射光路中的后选择量子态之间构成实现样品测量的量子弱测量光路部分；调整前选择态制备器24、后选择态制备器27，从而使后选择量子态与前选择量子态完全垂直。
本实施例以提供的基于量子弱测量的双通道探测的光学测量方法步骤如下：
S1：将标准样品置于弱耦合器之前，且标准样品位于入射光路上。由光发生装置发出的光束经前选择态制备器、标准样品、弱耦合器产生透射光束，透射光束经后选择态制备器、第二光束变换器，由双通道探测器接收；调节后选择态制备器，使从前选择态制备器出来的光束偏振态与偏振态选择器出来的光束偏振态正交，以使探测器接收到的光信号最弱，并观察到对称分布的双峰形光斑；同时调整双通道探测器的位置，使双峰分别对称的位于双通道探测器的两个探测面上，且两个通道分别接收到的光束强度相等；
S2：将标准样品替换为测试样品，分别记录双通道探测器接收的两个光斑的总光强I1和I2；根据公式(5)和(6)计算光的相位和振幅变化值。
实施例5
本实施例提供了一种基于量子弱测量的双通道探测的光学测量方法，其步骤如下：将样品置于量子弱测量系统中，通过双通道接收量子弱测量系统输出的光束；然后，依据以下公式计算得到光束振幅变化量和相位变化量：
式中，I1和I2分别表示双通道各自接收的总光强；Id表示双通道各自接收的总光强之差，It表示双通道各自接收的总光强之和；α和β分别表示相位变化量和振幅变化量；I0表示初始光束光强；γ表示弱耦合参数；ΔF表示输入光束的不确定度；F0表示输入光束的中心位置；C表示量子弱测量系统的工作系数。
本实施例中，以高斯光束作为入射光束，高斯分布是关于频率的分布，ΔF表示高斯光束的不确定度，取值为动量半峰宽，具体为ΔF＝Δw，Δw表示光束频率分布的半峰宽。
本实施例中，
|Ψ>表示量子弱测量系统中光束经后选择态制备器得到的后选择量子态；F0表示初始入射光束的中心频率，这里可以令F0＝w0。
本实施例中，以两个二分之一波片作为量子弱测量系统的弱耦合器，这里弱耦合参数γ为光束经两个二分之一玻片后的引入的时间延迟，γ＝τ。
本实施例中，C＝1。
因此，本实施例中，
实施例6
本实施例提供的基于量子弱测量的双通道探测的光学测量方法，基于的测量装置，如图5所示，其包括顺次设置的发光装置、前选择态制备器34，弱耦合器36，后选择态制备器37，第二光束变换器38和双通道探测器39。上述发光装置由依次设置的光源发生器31、能量调节器32和第一光束变换器33构成。上述前选择态制备器34、弱耦合器36和后选择态制备器37构成量子弱测量系统。样品35位于弱耦合器36之前，且沿垂直于磁场方向置于磁场中。磁场由磁场发生装置310产生。
本实施例中，以宽光源激光器作为光源发生器。以二分之一波片作为能量调节器。以两个格兰激光偏振镜分别作为前选择态制备器和后选择态制备器。以两个1/2波片做为弱耦合器；两个1/2波片光轴互相垂直，横向旋转第二个波片φ(角度)，可以引入时间延迟τ＝Δn′hφ2/2n2其中Δn′表示1/2波片的两个垂直偏振方向(o光和e光)的折射率差，h表示1/2波片厚度，n表示1/2波片的折射率。双通道探测器包括两个平行设置的光电探头，两个光电探头输出端分别接入信号处理系统。本实施例中，以光电倍增管作为光电探头。信号处理系统为具有图像处理功能的计算机，计算机依据两个输出通过分别传输的信号显示光强分布图像，并给出由光强分布图像得到的总光强。
上述测量装置工作原理为：由光源发生器31发出的激光依次经能量调节器32、第一光束转换器33、前选择态制备器34，入射到位于磁场中的磁性样品35表面产生反射光束，反射光束依次经弱耦合器36、后选择态制备器37、第二光束变换器38后，由双通道探测器39接收。光束经前选择态制备器34后的光束偏振态为前选择量子态，经后选择态制备器37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透射光路中的后选择量子态之间构成实现样品测量的量子弱测量光路部分；调整前选择态制备器34、后选择态制备器37，从而使后选择量子态与前选择量子态完全垂直。
本实施例以提供的基于量子弱测量的双通道探测的光学测量方法步骤如下：
S1：量子弱测量系统放置样品时，由光发生装置发出的光束经前选择态制备器、磁性材料、反射光束依次经弱耦合器，后选择态制备器、第二光束变换器，由双通道探测器接收；调节后选择态制备器，使从前选择态制备器出来的光束偏振态与偏振态选择器出来的光束偏振态正交，以使探测器接收到的光信号最弱，并观察到对称分布的双峰形光谱；同时调整双通道探测器的位置，使光谱的双峰分别对称的位于双通道探测器接收的两个探测面上，且两个通道分别接收到的光束强度相等；
S2：改变磁场，然后分别记录双通道探测器接收的两个光斑的总光强I1和I2；根据公式(7)和(8)计算得到不同磁场下光束的相位变化量(克尔旋转角)和振幅变化量(克尔椭偏率)。
应用例1
采用实施例2提供的基于量子弱测量的双通道探测的光学测量方法测量样品手征光信号。
将手性待测样品置于校准后的量子弱测量系统中，通过实施例2提供的双通道探测的光学测量方法获得放置手性待测样品后的光束振幅变化量β和相位变化量α，则待测样品的旋光角为α和圆二色性为β。
应用例2
采用实施例2提供的基于量子弱测量的双通道探测的光学测量方法测量样品折射率变化。
将不同浓度的待测样品置于校准后的量子弱测量系统中，通过实施例2提供的双通道探测的光学测量方法获得光与样品相互作用后引起的振幅变化量β和相位变化量α，将振幅和相位的变化对应于样品的折射率变化，则待测样品的折射率变化为
样品的浓度变化：
其中，λ为入射光束波长，L为光通过样品的长度。
应用例3
采用实施例2提供的基于量子弱测量的双通道探测的光学测量方法测量薄膜样品厚度。
将薄膜样品置于校准后的量子弱测量系统中时，通过实施例2提供的双通道探测的光学测量方法获得振幅变化量β和相位变化量α。
则椭偏参数对应关系如下：
其中tanψ和Δ分别表示p光和s光反射系数的实数值和相对相位变化值，同时分别对应于椭偏仪的两个测量参数(振幅比和相位移)。
以单层膜样品为例：
根据菲涅耳公式，在第一界面(空气-膜)处，反射系数为
在第二界面(膜-衬底)处，反射系数为
n1、n2和n3分别代表空气、膜层和衬底的折射率，θ1、θ2分别表示第一界面和第二界面处的入射角。
实际总反射光是由许多反射光干涉的结果。根据多光束干涉公式,总反射系数为
其中，
H表示单层膜厚度，δp、δs分别表示p光和s光的相位，采用ψ和Δ描述光波反射时偏振态的变化
根据以上公式联立，便可得到膜层的折射率和厚度。
应用例4
采用实施例2提供的基于量子弱测量的双通道探测的光学测量方法测量物体移动的微小位移变化量。
将物体置于量子弱测量系统中，经校准后，通过实施例2提供的双通道探测的光学测量方法测量物体移动后的双通道探测区域总光强，然后获得振幅变化量β和相位变化量α。
将物体的位移变化量等效成光的相位变化量，即
则物体位移变化量为
λ为入射光束波长。
应用例5
采用实施例6提供的基于量子弱测量的双通道探测的光学测量方法，利用宽光源激光器测量磁性材料的磁光克尔旋转角和磁光克尔椭偏率。本案列所使用光源为宽光源激光器，产生中心频率为w0，光谱的不确定度，也就是光谱的频谱半峰宽为Δw的高斯光。将磁性样品置于校准后的量子弱测量系统中，通过实施例6提供的双通道探测的光学测量方法获得磁性样品在不同磁场下所引起的反射光的振幅变化量(克尔椭偏率)β和相位变化量(克尔旋转角)α。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于量子弱测量的双通道探测的光学测量方法，其特征在于，步骤如下：将样品置于量子弱测量系统中，通过双通道接收量子弱测量系统输出的光束；然后，依据以下公式计算得到光束振幅变化量和相位变化量：
式中，I1和I2分别表示双通道各自接收的总光强；Id表示双通道各自接收的总光强之差，It表示双通道各自接收的总光强之和；α和β分别表示相位变化量和振幅变化量；I0表示初始光束光强；γ表示弱耦合参数，是指量子弱测量系统中光束的微小分裂或微小偏移；ΔF表示量子弱测量系统的输入光束的不确定度，F0表示输入光束的中心位置；C表示量子弱测量系统的工作系数。
2.根据权利要求1所述的基于量子弱测量的双通道探测的光学测量方法，其特征在于，量子弱测量系统包括前选择态制备器、弱耦合器和后选择态制备器；所述样品置于弱耦合器之前或之后。
3.根据权利要求2所述的基于量子弱测量的双通道探测的光学测量方法，其特征在于，当样品置于弱耦合器之前时，入射光束经前选择态制备器入射到样品表面，在样品表面发生反射或透射，反射光或透射光经弱耦合器后再经后选择态制备器后输出；
当样品置于弱耦合器之后时，入射光束经前选择态制备器和弱耦合器，入射到样品表面，在样品表面发生反射或透射，反射光或透射光经后选择态制备器后输出。
4.根据权利要求1所述的基于量子弱测量的双通道探测的光学测量方法，其特征在于，所述入射光束由光发生装置产生；所述光发生装置包括光源发生器；所述光源发生器用于提供偏振光源，为激光器、激光二极管、超辐射发光二极管、白光发生器和量子光源发生器中的一种。
5.根据权利要求4所述的基于量子弱测量的双通道探测的光学测量方法，其特征在于，在光源发生器出射光路上进一步设置能量调节器和位于能量调节器后方的第一光束变换器；所述能量调节器用于对由光源发生器发出的光束能量进行调节，为二分之一波片或中性衰减片；所述第一光束变换器为单个透镜或多个透镜组成的透镜组。
6.根据权利要求2所述的基于量子弱测量的双通道探测的光学测量方法，其特征在于，所述前选择态制备器和后选择态制备器为格兰激光偏振镜、沃拉斯顿棱镜或偏振片。
7.根据权利要求2所述的基于量子弱测量的双通道探测的光学测量方法，其特征在于，所述弱耦合器用于将样品引入的光束振幅和相位变化关联到量子弱测量系统。
8.根据权利要求1所述的基于量子弱测量的双通道探测的光学测量方法，其特征在于，利用双通道探测器接收量子弱测量系统输出的光束；
所述双通道探测器为平行设置的两个光电探头；
或者所述双通道探测器为两个分离的单点探测器，分别探测对应的两个独立的光强；
或者所述双通道探测器为阵列光电转换器，阵列光电转换器输出端设置两个输出通道。
9.根据权利要求1至8任一项所述的基于量子弱测量的双通道探测的光学测量方法，其特征在于，所述量子弱测量系统首先需要校准，步骤为：量子弱测量系统未放置样品时或将标准样品置于量子弱测量系统中时，通过双通道接收量子弱测量系统输出的光束；调整量子弱测量系统直至两个通道分别接收到的光束强度相等。
10.权利要求1至9任一所述的基于量子弱测量的双通道探测的光学测量方法，在样品手征光信号测量，磁光测量，薄膜厚度测量，微小长度变化的测量，折射率测量或者痕量检测中的应用。
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| GR01 | Patent grant | ||
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