CN115166608B - 基于相位偏置量子弱测量的绝对弱磁场测量设备及方法 - Google Patents
基于相位偏置量子弱测量的绝对弱磁场测量设备及方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115166608B CN115166608B CN202210814619.0A CN202210814619A CN115166608B CN 115166608 B CN115166608 B CN 115166608B CN 202210814619 A CN202210814619 A CN 202210814619A CN 115166608 B CN115166608 B CN 115166608B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- measurement
- magneto
- magnetic field
- spectrum
- weak
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000005259 measurement Methods 0.000 title claims abstract description 123
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 14
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 35
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims abstract description 13
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims abstract description 13
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims abstract description 13
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims description 78
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 55
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims description 53
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims description 25
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 19
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 10
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 9
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 8
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 claims description 7
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 claims description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 2
- 238000012937 correction Methods 0.000 abstract description 8
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 5
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 4
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 4
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000005674 electromagnetic induction Effects 0.000 description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 2
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 238000005481 NMR spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000007123 defense Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000013507 mapping Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 238000012552 review Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 1
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
- G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
- G01R33/032—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using magneto-optic devices, e.g. Faraday or Cotton-Mouton effect
- G01R33/0322—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using magneto-optic devices, e.g. Faraday or Cotton-Mouton effect using the Faraday or Voigt effect
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measuring Magnetic Variables (AREA)
Abstract
本发明提供一种基于相位偏置量子弱测量的绝对弱磁场测量设备及方法，该设备包括主光路组件、弱耦合光路组件和处理组件，其中弱耦合光路组件用以件待测的磁场耦合到光束中；该设备的测量方法包括前期的调试和后期的测量。本发明的设备及方法可以实现对磁场大小的高灵敏度和高精度的测量，同时在正式测量前对设备进行有效的矫零调试确保结果的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及弱磁场测量领域，尤其涉及一种基于相位偏置量子弱测量的绝对弱磁场测量设备及方法。
背景技术
高精度和快速响应的绝对磁场测量一直是各个科学领域所追求的目标。例如对卫星在轨进行磁场测绘及实时监测、瞬变电磁系统中接收机对二次场的测量、大陆和海洋环境的航磁调查、甚至可以用于军事防御中对潜艇活动的监测。
目前对磁场测量的原理可以分为以下三类：基于电磁感应的传统磁力仪、利用核磁共振特性的质子和光泵磁力仪、基于低温量子效应的超导磁力仪。传统的电磁感应磁力仪的原理是测量闭合的线圈中磁通量的变化，线圈的电容、电感、以及寄生电容会导致测量的信号发生畸变，使得测量的结果不精确。目前较为成熟的技术是质子旋进磁力仪，绝对磁场大小的测量精度范围可以达到0.1～10nT，并且稳定性好，测量的结果只与质子的性质有关，其缺点是极化功率大，只能进行快速定点的测量，并且受磁场的梯度影响较大。随着较高温度的超导材料的出现，由超导材料制成的超导磁力仪的灵敏度可以达到10-5～10-6nT，因此近年来得到了高速的发展。但是由于超导仪器的主要工作物质是低温超导材料，需要液氮作为冷却剂，所以其实际的测量成本比较高。
二十世纪八十年代，科学家Yakir Aharonov、David Z.Albert和Lev Vaidman首次提出了量子弱测量的概念并且提出了其运用到对小信号测量的可能性。随着量子信息技术和量子测量的蓬勃发展，中国科技大学的Geng Chen团队首次提出了相位偏置量子弱测量方案[Physical Review A 94,053843(2016)]，相比传统的量子弱测量方案，相位偏置量子弱测量可以明显提高测量的灵敏度，基于量子弱测量的放大/小信号的测量技术已经有了广泛的应用[Light:science&applications 10,103(2021).Phys.Rev.A 105 033521(2022)]，例如对温度、角度、位移的测量，但是目前相位偏置量子弱测量的弱值放大技术在对绝对磁场的测量中应用较少。
发明内容
有鉴于此，本发明的实施例提供了一种基于相位偏置量子弱测量的绝对弱磁场测量设备及方法。
本发明的实施例提供的一种基于相位偏置量子弱测量的绝对弱磁场测量设备及方法，所述测量设备包括主光路组件、弱耦合光路组件和处理组件；
所述主光路组件包括激光源、高斯滤波片、分光镜、第一偏振片、半波片和第一四分之一波片，其中所述激光源发射水平光束经所述高斯滤波片入射到所述分光镜，所述分光镜的透射光经所述第一偏振片、半波片和所述第一四分之一波片形成前选择偏振光，所述分光镜的反射光入射到所述处理组件形成基准光谱；
所述弱耦合光路组件包括偏振分束器、第一准直透镜、磁光效应光纤环、第二准直透镜和Soleil-Babinet补偿器，其中所述前选择偏振光入射到所述偏振分束器形成第一偏振光和第二偏振光，所述第一偏振光经所述第一准直透镜、所述磁光效应光纤环、所述第二准直透镜和所述Soleil-Babinet补偿器形成第一耦合光并入射到所述偏振分束器，所述第二偏振光经所述Soleil-Babinet补偿器、所述第二准直透镜、所述磁光效应光纤环和所述第一准直透镜形成第二耦合光并入射到所述偏振分束器，所述第一耦合光和所述第二耦合光经所述偏振分束器合成耦合光束，且经第二四分之一波片和第二偏振片形成后选择偏振光并入射到所述处理组件形成测量光谱；
所述处理组件用以根据所述基准光谱和所述测量光谱，以直接获取所述测量光谱的中心波长位移，并结合基于相位偏置量子弱测量原理推理得到的中心波长位移与所述磁光效应光纤环的磁场的表征关系，计算得到所述磁场大小。
进一步地，所述处理组件包括第一光谱仪、第二光谱仪和数据处理模块，其中所述第一光谱仪和所述第二光谱仪均与所述数据处理模块电性连接，所述第一光谱仪用以接收所述分光镜的反射光并形成所述基准光谱，所述第二光谱仪用以接收所述后选择偏振光并形成所述测量光谱，所述数据处理模块用以根据所述基准光谱和所述测量光谱直接获取所述测量光谱的中心波长位移。
进一步地，所述第一偏振光在所述磁光效应光纤环内的传播方向与所述磁光效应光纤环的磁场方向一致。
进一步地，所述磁光效应光纤环是由磁光材料制成的保偏光纤绕成，其外形呈椭圆跑道状。
进一步地，所述第一准直透镜和所述第二准直透镜分别通过光纤与所述磁光效应光纤环两端连接。
进一步地，所述第一偏振片的偏振方向与竖直方向的夹角为π/4。
进一步地，所述处理组件还包括可编程控制模块，所述可编程控制模块与所述Soleil-Babinet补偿器电性连接，所述可编程控制模块用以反馈调节所述Soleil-Babinet补偿器。
进一步地，上述的所述测量设备的测量方法包括以下步骤：
S1、组装设备，对所述磁光效应光纤环进行磁屏蔽，随后通过所述激光源发射调试有的光束，并通过所述可编程控制器反馈调节所述Soleil-Babinet补偿器提供的补偿相位，以使调试光束的所述测量光谱的中心波长位移满足条件：δλ0＜ξ，式中δλ0为调试光束的所述测量光谱的中心波长位移，ξ为所述第一光谱仪和所述第二光谱仪波长的分辨率；随后结束调试。
S2、撤除所述磁光效应光纤环的磁屏蔽，发射测量用的光束，通过所述处理组件直接获取测量光束的所述测量光谱的中心波长位移；
S3、基于相位偏置量子弱测量原理推理得到测量光束的所述测量光谱的中心波长位移与所述磁场的表征关系，并结合步骤S2中直接获得的所述测量光谱的中心波长位移计算得到所述磁场的大小。
进一步地，在步骤S3中所述测量光束的所述测量光谱的中心波长位移与所述磁场的表征关系为：
式中，δλ1表示基于相位偏置量子弱测量原理推理得到的所述测量光谱的中心波长位移，V为所述磁光效应光纤环的制成材料的磁光系数，L为所述磁光效应光纤环的总长度，B为所述磁光效应光纤环提供的磁场的大小即所要测量的磁场的大小，λ0为所述基准光谱的中心波长，为所述第二四分之一波片的光轴与第二偏振片之间的夹角。
本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
第一，本发明通过对磁光效应光纤的法拉第磁光效应的相位偏置弱值放大可以实现对磁场大小的高灵敏度和高精度的测量；
第二，本发明中的数据处理模块可以对测量得到的光谱数据实时处理，进一步得到测量光谱的中心波长的位移与磁场大小的关系；
第三，本发明中半波片和第一四分之一波片组成的相位偏置可以提高传统弱测量方案的灵敏度；
第四，本发明可通过可编程控制器与Soleil-Babinet补偿器组成反馈控制实现设备正常工作前的矫零调试。
附图说明
图1是本发明的基于相位偏置量子弱测量的绝对弱磁场测量设备的整体结构示意图；
图2是本发明的基于相位偏置量子弱测量的绝对弱磁场测量设备的测量方法的流程图；
图中：1-主光路组件、101-激光源、102-高斯滤波片、103-分光镜、104-第一偏振片、105-半波片、106-第一四分之一波片、2-弱耦合光路组件、201-偏振分束器、202-第一准直透镜、203-磁光效应光纤环、204-第二准直透镜、205-Soleil-Babinet补偿器、206-平面镜、207-第二四分之波片、208-第二偏振片、3-处理组件、301-第一光谱仪、302-第二光谱仪、303-数据处理模块、304-可编程控制模块。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参考图1，本发明的实施例提供了一种基于相位偏置量子弱测量的绝对弱磁场测量的设备，该设备包括主光路组件1、弱耦合光路组件2和处理组件3。
所述处理组件包括第一光谱仪301、第二光谱仪302、数据处理模块303和可编程控制模块304，其中所述第一光谱仪301和所述第二光谱仪302均与所述数据处理模块303电性连接，所述可编程控制模块304与所述数据处理模块303信息交互，所述可编程控制模块304用以在本实施例中的设备开始工作前对所述弱耦合光路组件2进行矫零调试，以确保测量结果的准确性，所述可编程控制模块304内存储有矫零调试用的控制程序。
所述主光路组件1包括激光源101、高斯滤波片102、分光镜103和第一偏振片104，其中所述激光源101用以发射激光光束，在本实施例中，所述激光源101发射的激光光束是水平传播的，所述激光源101发射的激光光束经所述高斯滤波片102后入射到所述分光镜103，所述分光镜103接收到光束后形成反射光和透射光，所述反射光入射到所述第一光谱仪301内形成基准光谱，所述透射光入射到所述第一偏振片104后形成前选择偏振光，在这里需要说明的是，所述第一偏振片104用以对通过的所述透射光的偏振态进行前选择以形成所述前选择偏振光，所述第一偏振片104的偏振方向与竖直方向的夹角为π/4，经过前选择后的所述前选择偏振光的量子态可以表示为：
式中，|Φi〉表示所述前选择偏振光的量子态，|H>和|V>分别表示水平方向和竖直方向上的偏振态，其是由光子的性质决定的，且<H|H〉＝1，〈V|V>＝1，<V|H>＝0，在这里需要说明的是，由于本实施例中的设备是基于相位偏置量子弱测量原理来进行测量的，此处的量子态|Φi>可以对应于相位偏置量子弱测量中的前选择态。
所述主光路组件1还包括半波片105和第一四分之一波片106，其中从所述第一偏振片104射出的所述前选择偏振光依次入射通过所述半波片105和第一四分之一波片106，所述半波片105和所述第一四分之一波片106用以对通过的所述前选择偏振光进行相位调制，以在光束的光子的水平方向上的偏振和竖直方向的偏振之间引入一个相位差ψp，相位差ψp的大小由所述半波片105和所述第一四分之一波片106的光轴的旋转角度决定；在这里需要说明的是，由于本实施例中的设备是基于相位偏置量子弱测量原理来进行测量的，相位差ψp可以对应于相位偏置量子弱测量中的偏置相位，此处的相位差ψp的引入用以提高测量的灵敏度。
所述弱耦合光路组件2包括偏振分束器201、第一准直透镜202、磁光效应光纤环203、第二准直透镜204和Soleil-Babinet补偿器205，其中从所述第一四分之一波片106射出的所述前选择偏振光入射到所述偏振分束器201形成第一偏振光和第二偏振光，在本实施例中，所述第一偏振光水平传播，所述第二偏振光竖直传播；在本实施例中，所述磁光效应光纤环203是由磁光材料制成的保偏光纤绕制而成的，且其外形呈椭圆跑道状，在这里需要说明的是，所述磁光效应光纤环203的磁场B就是本实施例设备所要测量的弱磁场；所述第一准直透镜202和所述第二准直透镜204分别通过光纤与所述磁光效应光纤环203的两端口连接，所述第一偏振光通过所述第一准直透镜202入射到所述磁光效应光纤环203内并从所述第二准直透镜204射出，随后从所述第二准直透镜204射出的光入射通过所述Soleil-Babinet补偿器205后形成第一耦合光，所述第一耦合光通过平面镜206反射入射到所述偏振分束器201内，在本实施例中，所述第一偏振光入射到所述磁光效应光纤环203内后其传播方向是与所述磁光效应光纤环203的磁场方向一致的,所述磁光效应光纤环203的磁场用B表示；所述第二偏振光经所述平面镜206反射后入射通过所述Soleil-Babinet补偿器205，随后从所述第二准直透镜204入射到所述磁光效应光纤环205内并从所述第一准直透镜202射出形成第二耦合光，所述第二耦合光入射到所述偏振分束器201内，在本实施例中，所述第二偏振光入射到所述磁光效应光纤环203内后其传播方向是与所述磁光效应光纤环203的磁场B方向相反的；所述偏振分束器201接收到所述第一耦合光和所述第二耦合光后将二者合成耦合光束并射出。
在这里需要说明的是，由于法拉第磁光效应，所述磁光效应光纤环203的磁场B会对在其内传播的光产生相位偏转，故此所述第一耦合光和所述第二耦合光之间产生了一个总的相位差，该总的相位差可以表示为：
φt＝φS+φF (2)
式中，φt表示所述第一耦合光和所述第二耦合光之间的总相位差，φS表示所述Soleil-Babinet补偿器205产生的补偿相位，为定值，其可以在正式测量前期的矫零调试中确定，φF表示所述磁光效应光纤环203由于法拉第磁光效应作用对其内传播的光所产生的相位偏转，且φF＝VBL，其中V为所述磁光效应光纤环203的制成材料的磁光系数，L为所述磁光效应光纤环203的总长度，B为所述磁光效应光纤环203提供的磁场的大小即所要测量的磁场的大小。
故此，进一步地，根据相位偏置量子弱测量原理就可以得到弱耦合常数g＝φt/p0，p0为光子的平均动量；p0可由公式λ0＝2π/p0求得，式中λ0为所述基准光谱的中心波长，其可以直接通过所述第一光谱仪获取。
所述弱耦合光路组件2还包括第二四分之波片207和第二偏振片208，其中从所述偏振分束器201射出的所述耦合光束依次入射通过所述第二四分之波片207和所述第二偏振片208后形成后选择偏振光，所述后选择偏振光入射到所述第二光谱仪302内形成测量光谱，在这里需要说明的是，此时的所述测量光谱是已经将所述磁光效应光纤环203的磁场B耦合进去了；所述数据处理模块303获取所述第一光谱仪301内的所述基准光谱和所述第二光谱仪302内的所述测量光谱，通过将两光谱进行比对，就可以直接获取所述测量光谱的中心波长位移δλ2，在这里需要说明的是，所述基准光谱是作为比对基准的，δλ2是通过对比所述基准光谱的中心波长位移和所述测量光谱的中心波长位移直接获取得到的。
同时，在这里需要说明的是，所述第二四分之波片207和所述第二偏振片208用以对通过的所述耦合光束的偏振态进行后选择以形成所述后选择偏振光，经过后选择的所述后选择偏振光的量子态可以表示为：
式中，|Φi>表示所述前选择偏振光的量子态，为所述第二四分之一波片207的光轴与第二偏振片208之间的夹角；在这里需要说明的是，由于本实施例中的设备测量是基于相位偏置量子弱测量原理来进行测量的，此处的量子态|Φf>可以对应于相位偏置量子弱测量中的后选择态。
进一步地，基于相位偏置量子弱测量原理中的弱值定义，就可以计算得到所述测量光谱的中心波长的位移的放大因子：
式中，Aw为所述测量光谱的中心波长的位移的放大因子，A为本实施例采用的可观测算符，且A＝|H><H|-|V><V|。
进一步地，由于本实施例中的设备是基于相位偏置量子弱测量原理进行测量的，故此本实施例的相位差ψp满足相位偏置量子弱测量原理中偏置相位的选取条件：其中N为正整数；进而就可以基于相位偏置量子弱测量原理推理计算得到所述测量光谱的中心波长位移与所述磁场B的表征关系表达式：式中δλ1表示基于相位偏置量子弱测量原理推理得到的所述测量光谱的中心波长位移，而δλ2是通过对比所述基准光谱和所述测量光谱直接获取的所述测量光谱的中心波长位移，且δλ1＝δλ2，故此/>从而就可以求得所述磁光效应光纤环203的磁场B的大小。
同时需要说明的是，本实施例中的设备在开始测量所述磁光效应光纤环203的磁场B前，需要对设备进行矫零调试以确保测量结果的准确性；在本实施例中，所述可编程控制模块304与所述Soleil-Babinet补偿器205电性连接的，在矫零调试时，将所述磁光效应光纤环203进行磁屏蔽，随后使所述激光源101发出调试用的激光光束，通过所述数据处理模块303获取所述第二光谱仪302形成的调试光束的所述测量光谱的中心波长位移δλ0，在δλ0满足条件：δλ0＜ξ时，则矫零调试完成，式中ξ为所述第一光谱仪301和所述第二光谱仪302波长的分辨率。
在这里需要解释的是，在矫零调试时，是通过所述可编程控制模块304反馈控制所述Soleil-Babinet补偿器205，以使所述Soleil-Babinet补偿器205根据实际工况需求调整提供的补偿相位φS，且在δλ0＜ξ时，调试结束，并保持调试结束后所述Soleil-Babinet补偿器205提供的补偿相位φS不变，此时的补偿相位φS是可以通过所述Soleil-Babinet补偿器205获取的，故此在公式(1)中的补偿相位φS是定值。
本实施例中的设备工作原理为：基于相位偏置量子弱测量原理，通过对光束的量子态进行合适的前选择和后选择以及相位调制，把待测量的所述磁场B的大小耦合到弱耦合常数g中，随后根据相位偏置量子弱测量原理中偏置相位的选取条件推理计算得到所述磁场B与所述测量光谱中心波长位移的表征关系表达式：最后结合从所述第二光谱仪302上直接获取的所述测量光谱中心波长位移δλ2的大小，计算得到所述磁场的大小。
本实施例提供一种基于相位偏置量子弱测量的绝对弱磁场测量的设备的测量方法，具体包括以下步骤：
S1、组装设备，对所述磁光效应光纤环203进行磁屏蔽，随后通过所述激光源101发射调试有的光束，并通过所述可编程控制器304反馈调节所述Soleil-Babinet补偿器205提供的补偿相位，以使调试光束的所述测量光谱的中心波长位移满足条件：δλ0＜ξ，式中δλ0为调试光束的所述测量光谱的中心波长位移，ξ为所述第一光谱仪301和所述第二光谱仪302波长的分辨率；随后结束调试。
具体地，组装设备后，通过外部磁屏蔽设备对所述磁光效应光纤环203进行磁屏蔽，以使其磁场为0，随后通过所述激光源101发射调试用的激光光束，并通过所述第二光谱仪302实时观察调试用的激光光束所形成的所述测量光谱的中心波长的位移，当该中心波长的位移不满足条件δλ0＜ξ时，通过所述可编程控制器304反馈调节所述Soleil-Babinet补偿器205提供的补偿相位进而改变调试光束的所述测量光谱的中心波长的位移，使其满足条件δλ0＜ξ，待条件满足时则结束调试，依次同时通过所述Soleil-Babinet补偿器205获取其提供的补偿相位，即φS，并保持该补偿相位在后续的正式测量时保持不变。同时需要说明的是，在调试时，调试的光束同样也会形成对应的所述基准光谱的，当调试结束进入正式测量阶段时，所述基准光谱的作用主要是为了给直接读取对应阶段的所述测量光谱的中心波长位移提供基准。
S2、撤除所述磁光效应光纤环203的磁屏蔽，发射测量用的光束，通过所述处理组件3直接获取测量光束的所述测量光谱的中心波长位移。
具体地，撤除所述磁光效应光纤环203的磁屏蔽，通过所述激光源101发射测量用的激光光束，随后通过所述第一光谱仪301和所述第二光谱仪302分别形成测量光束的的所述基准光谱和所述测量光谱，之后，所述数据处理模块303获取测量光束的所述基准光谱和所述测量光谱，通过对比直接获取测量光束的所述测量光谱的中心波长的位移大小，即δλ2；在这里需要说明的是，测量光束的所述基准光谱主要是作为对应的所述测量光谱的基准，同时，由于从光谱中直接获取中心波长的位移是比较成熟的现有技术，故此不做详细累述。
S3、基于相位偏置量子弱测量原理推理得到测量光束的所述测量光谱的中心波长位移与所述磁场的表征关系，并结合步骤S2中直接获得的所述测量光谱的中心波长位移计算得到所述磁场的大小。
具体地，基于相位偏置量子弱测量原理推理得到测量光束的所述测量光谱的中心波长的位移与所述磁场的表征关系：随后结合直接获取的δλ2，而δλ1＝δλ2，进而就可以计算得到所述磁光效应光纤环203的磁场B。
在这里还需要说明的是，所述处理组件还包括显示屏，所述显示屏分别与所述第一光谱仪、所述第二光谱仪、所述数据处理模块以及所述可编程控制模块电性连接，所述显示屏用以显示对应的光谱和光谱中的中心波长位移。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.基于相位偏置量子弱测量的绝对弱磁场测量设备，其特征在于：包括主光路组件、弱耦合光路组件和处理组件；
所述主光路组件包括激光源、高斯滤波片、分光镜、第一偏振片、半波片和第一四分之一波片，其中所述激光源发射水平光束经所述高斯滤波片入射到所述分光镜，所述分光镜的透射光经所述第一偏振片、半波片和所述第一四分之一波片形成前选择偏振光，所述分光镜的反射光入射到所述处理组件形成基准光谱；
所述弱耦合光路组件包括偏振分束器、第一准直透镜、磁光效应光纤环、第二准直透镜和Soleil-Babinet补偿器，其中所述前选择偏振光入射到所述偏振分束器形成第一偏振光和第二偏振光，所述第一偏振光经所述第一准直透镜、所述磁光效应光纤环、所述第二准直透镜和所述Soleil-Babinet补偿器形成第一耦合光并入射到所述偏振分束器，所述第二偏振光经所述Soleil-Babinet补偿器、所述第二准直透镜、所述磁光效应光纤环和所述第一准直透镜形成第二耦合光并入射到所述偏振分束器，所述第一耦合光和所述第二耦合光经所述偏振分束器合成耦合光束，且经第二四分之一波片和第二偏振片形成后选择偏振光并入射到所述处理组件形成测量光谱；
所述处理组件用以根据所述基准光谱和所述测量光谱，以直接获取所述测量光谱的中心波长位移，并结合基于相位偏置量子弱测量原理推理得到的中心波长位移与所述磁光效应光纤环的磁场的表征关系，计算得到所述磁场大小。
2.如权利要求1所述的基于相位偏置量子弱测量的绝对弱磁场测量设备，其特征在于：所述处理组件包括第一光谱仪、第二光谱仪和数据处理模块，其中所述第一光谱仪和所述第二光谱仪均与所述数据处理模块电性连接，所述第一光谱仪用以接收所述分光镜的反射光并形成所述基准光谱，所述第二光谱仪用以接收所述后选择偏振光并形成所述测量光谱，所述数据处理模块用以根据所述基准光谱和所述测量光谱直接获取所述测量光谱的中心波长位移。
3.如权利要求1所述的基于相位偏置量子弱测量的绝对弱磁场测量设备，其特征在于：所述第一偏振光在所述磁光效应光纤环内的传播方向与所述磁光效应光纤环的磁场方向一致。
4.如权利要求1所述的基于相位偏置量子弱测量的绝对弱磁场测量设备，其特征在于：所述磁光效应光纤环是由磁光材料制成的保偏光纤绕成，其外形呈椭圆跑道状。
5.如权利要求1所述的基于相位偏置量子弱测量的绝对弱磁场测量设备，其特征在于：所述第一准直透镜和所述第二准直透镜分别通过光纤与所述磁光效应光纤环两端连接。
6.如权利要求1所述的基于相位偏置量子弱测量的绝对弱磁场测量设备，其特征在于：所述第一偏振片的偏振方向与竖直方向的夹角为π/4。
7.如权利要求2所述的基于相位偏置量子弱测量的绝对弱磁场测量设备，其特征在于：所述处理组件还包括可编程控制模块，所述可编程控制模块与所述Soleil-Babinet补偿器电性连接，所述可编程控制模块用以反馈调节所述Soleil-Babinet补偿器。
8.如权利要求7所述的基于相位偏置量子弱测量的绝对弱磁场测量设备的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、组装设备，对所述磁光效应光纤环进行磁屏蔽，随后通过所述激光源发射调试有的光束，并通过所述可编程控制模块反馈调节所述Soleil-Babinet补偿器提供的补偿相位，以使调试光束的所述测量光谱的中心波长位移满足条件：，式中/>为调试光束的所述测量光谱的中心波长位移，/>为所述第一光谱仪和所述第二光谱仪波长的分辨率；随后结束调试；
S2、撤除所述磁光效应光纤环的磁屏蔽，发射测量用的光束，通过所述处理组件直接获取测量光束的所述测量光谱的中心波长位移；
S3、基于相位偏置量子弱测量原理推理得到测量光束的所述测量光谱的中心波长位移与所述磁场的表征关系；并结合步骤S2中直接获得的所述测量光谱的中心波长位移计算得到所述磁场的大小。
9.如权利要求8所述的基于相位偏置量子弱测量的绝对弱磁场测量设备的测量方法，其特征在于，在步骤S3中所述测量光束的所述测量光谱的中心波长位移与所述磁场的表征关系为：
式中，表示基于相位偏置量子弱测量原理推理得到的所述测量光谱的中心波长位移，/>为所述磁光效应光纤环的制成材料的磁光系数，/>为所述磁光效应光纤环的总长度，为所述磁光效应光纤环提供的磁场的大小即所要测量的磁场的大小，/>为所述基准光谱的中心波长，/>为所述第二四分之一波片的光轴与第二偏振片之间的夹角。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210814619.0A CN115166608B (zh) | 2022-07-12 | 2022-07-12 | 基于相位偏置量子弱测量的绝对弱磁场测量设备及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210814619.0A CN115166608B (zh) | 2022-07-12 | 2022-07-12 | 基于相位偏置量子弱测量的绝对弱磁场测量设备及方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115166608A CN115166608A (zh) | 2022-10-11 |
| CN115166608B true CN115166608B (zh) | 2024-04-16 |
Family
ID=83493798
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210814619.0A Active CN115166608B (zh) | 2022-07-12 | 2022-07-12 | 基于相位偏置量子弱测量的绝对弱磁场测量设备及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115166608B (zh) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108519565A (zh) * | 2018-04-09 | 2018-09-11 | 四川大学 | 基于量子弱测量的弱磁场强度测量分析仪及方法 |
| CN108693490A (zh) * | 2018-04-25 | 2018-10-23 | 中国科学技术大学 | 磁场强度测量装置及方法 |
| CN112415444A (zh) * | 2020-10-19 | 2021-02-26 | 浙江工业大学 | 一种基于量子弱测量的原子磁力仪探测光路系统 |
| CN112925008A (zh) * | 2021-01-08 | 2021-06-08 | 中国地质大学（武汉） | 基于量子弱测量实现的高精度保模光纤偏振光地震陀螺仪 |
| CN113567351A (zh) * | 2021-06-10 | 2021-10-29 | 四川大学 | 基于量子弱测量的复磁光角测量系统及方法 |
| WO2022041701A1 (zh) * | 2020-08-24 | 2022-03-03 | 清华大学 | 原子磁强计及磁场成像系统 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101458312B (zh) * | 2009-01-04 | 2012-07-11 | 上海舜宇海逸光电技术有限公司 | 光纤磁光探测装置 |
-
2022
- 2022-07-12 CN CN202210814619.0A patent/CN115166608B/zh active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108519565A (zh) * | 2018-04-09 | 2018-09-11 | 四川大学 | 基于量子弱测量的弱磁场强度测量分析仪及方法 |
| CN108693490A (zh) * | 2018-04-25 | 2018-10-23 | 中国科学技术大学 | 磁场强度测量装置及方法 |
| WO2022041701A1 (zh) * | 2020-08-24 | 2022-03-03 | 清华大学 | 原子磁强计及磁场成像系统 |
| CN112415444A (zh) * | 2020-10-19 | 2021-02-26 | 浙江工业大学 | 一种基于量子弱测量的原子磁力仪探测光路系统 |
| CN112925008A (zh) * | 2021-01-08 | 2021-06-08 | 中国地质大学（武汉） | 基于量子弱测量实现的高精度保模光纤偏振光地震陀螺仪 |
| CN113567351A (zh) * | 2021-06-10 | 2021-10-29 | 四川大学 | 基于量子弱测量的复磁光角测量系统及方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| Enhancing the precision of detecting weak magnetic fields based on weak-value amplification;胡祥云等;《Journal of the optical society of America B》;20220401;全文 * |
| 弱磁场检测方法与仪器研究;肖胜红;肖振坤;边少锋;金际航;;舰船电子工程;20060820(04);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115166608A (zh) | 2022-10-11 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN108508382B (zh) | 一种基于serf原子自旋效应的三维梯度磁场测量装置 | |
| CN108519565B (zh) | 基于量子弱测量的弱磁场强度测量分析仪及方法 | |
| WO2022041701A1 (zh) | 原子磁强计及磁场成像系统 | |
| CN109738837B (zh) | 一种用于单光束serf原子磁强计的剩余磁场原位补偿方法 | |
| US11054489B2 (en) | Vector magnetometer in alignment with two differently polarised probe beams | |
| US20130082700A1 (en) | Nuclear magnetic resonance imaging apparatus and nuclear magnetic resonance imaging method | |
| CN110261796B (zh) | 一种基于零场共振的serf原子磁强计及磁补偿方法 | |
| CN113075594B (zh) | 一种serf原子磁强计的电子极化率双轴原位测量系统及方法 | |
| WO2021184839A1 (zh) | 基于Sagnac干涉系统的全偏振法拉第磁场传感器及调制方法 | |
| CN110045309B (zh) | 一种新型的光泵磁力仪精度自检测方法 | |
| CN116626558A (zh) | 一种基于零偏磁场灵敏度的磁场梯度误差分析与抑制方法 | |
| CN113567351B (zh) | 基于量子弱测量的复磁光角测量系统及方法 | |
| CN115166608B (zh) | 基于相位偏置量子弱测量的绝对弱磁场测量设备及方法 | |
| EP0645616A1 (en) | Dispersion interferometer | |
| CN113447860A (zh) | 屏蔽环境下残余磁场三轴分量原位测量方法 | |
| Bernier et al. | Fully automated E-field measurement system using pigtailed electro-optic sensors for temperature-dependent-free measurements of microwave signals in outdoors conditions | |
| Aydé et al. | Potentialities of an electro-optic crystal fed by nuclear magnetic resonant coil for remote and low-invasive magnetic field characterization | |
| CN116381574A (zh) | 一种磁屏蔽空间内剩磁的测量装置 | |
| CN112710615B (zh) | 一种基于光学空间互易性的共模差分检测装置及方法 | |
| US11442119B2 (en) | Magnetometer with optical pumping of a sensitive element with linearly polarised light and multiple-pass in the sensitive element | |
| CN113721172A (zh) | 磁力仪以及磁力仪检测方法 | |
| Li et al. | In situ measurement of magneto-optical non-orthogonality in miniaturized atomic magnetometer | |
| Veeser et al. | Fiber optic sensing of pulsed currents | |
| Dakin et al. | A passive all-dielectric field probe for RF measurement using the electro-optic effect | |
| CN116930830A (zh) | 原子磁强计中的线圈磁场空间分布原位测量装置及方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |