CN116907551A - 量子传感前端、检测系统及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及量子精密测量技术领域，方案为一种量子传感前端、检测系统及检测方法，该前端包含前端光路模块、光电池模块、激励激光模块以及固态自旋量子探头；本方案将激励激光源设计在检测前端，检测时，激励激光源跟随固态自旋量子探头移动至检测位，在近处提供激励激光以激励固态自旋量子探头，此设计能够有效减少激励激光的损耗，保证了固态自旋色心的激励效果，且本方案还在检测前端设置了光电池模块，其通过激光供能的方式充电并为激励激光源供电，此种供电方式减少或避免了检测前端与外界的电路连接。

Description

量子传感前端、检测系统及检测方法

技术领域

本发明涉及量子精密测量技术领域，具体涉及到一种量子传感前端、检测系统及检测方法。

背景技术

固态自旋色心体系是实现量子精密测量的重要物理体系，以该体系中的金刚石NV色心为例，其在激光的泵浦下表现出较强的荧光，且该荧光强度与外界物理量规律性相关，因而可作为一种新型的传感核心，用于磁场、电场、温度等物理量的测量，固态自旋色心体系除了金刚石NV色心，还有硅空位色心、硼空位色心等。

现有技术中，围绕固态自旋色心设计测量仪器的研究逐年增多，如公开号为CN113834963A的中国专利公开了一种基于NV色心传感器的电流检测装置、方法和存储介质，该专利利用NV色心进行电流测量；又如公开号为CN115266910A中国专利公开了一种基于NV色心量子传感技术的涡流探伤系统，该专利利用NV色心进行无损探伤；又如公开号为CN111307326A的中国专利公开了一种基于金刚石NV色心的光纤温度传感器，该专利利用NV色心进行温度测量。

但是纵观现有技术，用于输出激励激光的激光源均设置于近端，工作时，激励激光通过光纤线路传输至远端的金刚石NV色心，此过程激励激光的传输损耗较大（以金刚石NV色心为例，其激励激光的波长为532nm，不属于通信波段激光，且光强度较低），导致固态自旋色心的激励效果较差，影响测量精度。

基于此，本发明设计了一种量子传感前端、检测系统及检测方法，以解决上述问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种可减少激励激光损耗的量子传感前端、检测系统及检测方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种量子传感前端，包含：

前端光路模块，用于获取外部的供能激光及光信号的调节、传输；

光电池模块，用于将供能激光转化为前端电能并为量子传感前端内的用电器件供电；

激励激光模块，其利用前端电能供电并产生激励激光；

固态自旋量子探头，用于在激励激光的作用下产生反馈荧光。

进一步的，所述固态自旋量子探头包含金刚石NV色心。

进一步的，还包含微波模块，所述微波模块用于输出作用于固态自旋量子探头的激励微波。

进一步的，还包含光回收模块，所述光回收模块用于回收量子传感前端内的无用光信号，并通过光电池模块将无用光信号转化为前端电能。

进一步的，用于从激励激光模块向固态自旋量子探头传输激励激光的光路长度不大于5m。

进一步的，还包含光电探测模块，所述光电探测模块用于采集反馈荧光并形成电信号输出。

进一步的，所述光电探测模块还包含锁相处理单元。

进一步的，还包含处理器，所述处理器用于对光电探测模块输出的电信号进行计算分析以得到待测量，并将该待测量以电信号形式输出。

进一步的，还包含光发送机，所述光发送机接入光电探测模块输出的电信号并生成调制光信号输出。

一种检测系统，包含如前所述的量子传感前端、后端以及连接于二者之间的传输线路，所述后端包含供能激光模块和主机，所述供能激光模块用于输出供能激光，所述供能激光通过传输线路传输至量子传感前端，所述主机用于整机控制及数据分析计算。

进一步的，所述供能激光的波长区间为800~1100nm。

进一步的，所述传输线路包含一光纤，在量子传感前端与后端二者之间传输的光信号均通过此光纤进行传输。

一种检测方法，包含以下步骤：

S1、获取外部的供能激光；

S2、将供能激光转化为内部电能；

S3、利用该内部电能为内部激光源供电以产生激励激光；

S4、固态自旋量子探头感知待测量并在激励激光的作用下产生对应强度的反馈荧光；

S5、对反馈荧光进行收集及分析计算得到待测量。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本方案将激励激光源设计在检测前端，检测时，激励激光源跟随固态自旋量子探头移动至检测位，在近处提供激励激光以激励固态自旋量子探头，此设计能够有效减少激励激光的损耗，保证了固态自旋色心的激励效果，且本方案还在检测前端设置了光电池模块，其通过激光供能的方式充电并为激励激光源供电，此种供电方式减少或避免了检测前端与外界的电路连接。

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的附图。

图1为本发明实施例中量子传感前端的一系统框图；

图2为本发明实施例中量子传感前端的一结构示意图；

图3为本发明实施例中光回收模块的一结构示意图；

图4为本发明实施例中量子传感前端的另一系统框图；

图5为本发明实施例中量子传感前端的又一系统框图；

图6为本发明实施例中量子传感前端的另一结构示意图；

图7为本发明实施例中检测系统的一系统框图；

图8为本发明实施例中传输线路的一结构示意图；

图9为本发明实施例中电流检测方法的流程图。

具体实施方式

下面将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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本申请的描述中，需要理解的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

量子传感前端实施例

如附图1所示，本例中量子传感前端包含前端光路模块、光电池模块、激励激光模块以及固态自旋量子探头。

本例中，前端光路模块用于获取外部的供能激光及光信号的调节、传输，作为一些展开描述，前端光路模块可以是光纤耦合器、光纤、光学镜片等器件，根据具体情况可有多种设计，此处不作具体限制。

本例中，光电池模块用于将供能激光转化为前端电能并为量子传感前端内的用电器件供电，示例性的，光电池模块包含光电池和DC-DC变换器。

本例中，激励激光模块利用前端电能供电并产生激励激光，作为一些展开描述，由于激励激光的光强需求较低，可以使用低能耗的激光源，若传感核心为金刚石NV色心，那么应选532nm激光源。

本例中，固态自旋量子探头用于感知外界待测量（如磁场、电磁、温度等）并在激励激光的作用下产生反馈荧光，此反馈荧光蕴含测量信息，通过对其进行采集分析即可实现对待测量的测量，作为一种优选，固态自旋量子探头的传感核心为金刚石NV色心。

具体的，如附图2所示，其为实施例一中其中一种量子传感前端的结构设计，该量子传感前端包含一基板10，前端光路模块、光电池模块12、激励激光模块13均安装在基板10上，前端光路模块包含第一光纤耦合器111、光纤、双色片112（含笼座，图中未示出）以及第二光纤耦合器113，固态自旋量子探头14为一设在传感光纤141端部中心的含NV色心的金刚石颗粒，传感光纤141的另一端连接第二光纤耦合器113，使用时，供能激光通过第一光纤耦合器111进入量子传感前端，并通过光纤连接光电池模块12，通过光电转化，供能激光成为前端电能并为激励激光模块13（532nm激光源），激励激光模块13输出532nm激光，532nm激光穿过双色片112后并经第二光纤耦合器113耦合进入传感光纤141，最终照射含NV色心的金刚石颗粒并使其产生反馈荧光，反馈荧光沿原光路返回并经双色片112折射后通过第一光纤耦合器111耦合至光纤中以输出。

在如图2所示的示例中，获取的外部供能激光是通过光纤传输而来的，在另外一些设计中，前端光路模块也可以设计成可对空间光进行收集。

作为一些改进设计，基于背景技术中提出的光损耗问题，在一些实施例中，将用于从激励激光模块向固态自旋量子探头传输激励激光的光路长度设计成不大于5m，对此光路长度进行了限制，避免冗长光路设计造成的光损耗。

作为一些改进设计，在一些图示未示出的实施例中，量子传感前端还包含微波模块，可由光电池模块供电，微波模块用于输出作用于固态自旋量子探头的激励微波，此例运用了微波和激光共同对固态自旋量子探头进行激励，通过此种方法的测量结果更为准确（ODMR探测法为现有技术，此处不作赘述）。

作为一些改进设计，考虑到量子传感前端存在较多的光信号浪费，在一些实施例中，量子传感前端还包含光回收模块，光回收模块用于回收量子传感前端内的无用光信号并通过光电池模块将其转化为前端电能，示例性的，考虑到固态自旋量子探头（为便于解释，此处固态自旋量子探头为一含NV色心的金刚石颗粒，且金刚石颗粒设在一光纤端部）处容易有较多的光损耗，如附图3所示，所示光回收模块包含设在金刚石颗粒近处的聚集镜组和光纤耦合器，聚集镜组能够收集并汇聚金刚石粒处散射出的光信号以作为回收激光，并将该回收激光通过光纤耦合器耦合进入光纤，并传输至光电池模块用以转化为前端电能。

在前述实施例或改进中，量子传感前端输出的检测数据是反馈荧光本身。

在另外一些实施例中，也可以考虑以其它形式将反馈荧光从量子传感前端输出，以下例出其中若干传输设计（图中虚线框表示该模块可在可不在）：

其一、量子传感前端输出电信号

如附图4所示，在量子传感前端还设计有光电探测模块，光电探测模块用于采集反馈荧光并形成电信号输出，示例性的，光电探测模块为一光电二极管，其将反馈荧光转化为电信号后直接输出；考虑到光电二极管直接输出的电信号噪声较大，作为一种改进设计，光电探测模块还包含锁相处理单元，其能够对电信号进行锁相放大调制，以降低数据噪声，经过锁相处理的电信号再从量子传感前端输出；在另外一些设计中，还可以在量子传感前端设计处理器（内含数据解算程序），处理器用于对光电探测模块输出的电信号（也包含通过锁相处理后的电信号）进行计算分析以得到待测量，并将该待测量以电信号形式从量子传感前端输出。

其二、量子传感前端输出调制光信号（通信波段）

考虑到反馈荧光也不适合进行传输（以NV色心产生的637nm反馈荧光为例，其不属于通信波段光信号，因而在传输过程的损耗较大），在一些示例中，考虑将反馈荧光转化为通信波段的调制光信号进行输出，基于此种考虑，在前述量子传感前端输出电信号的结构设计下，如附图5所示，还在量子传感前端设计了光发送机（可由光电池模块供电），光发送机接入光电探测模块输出的电信号（或锁相输出的电信号或处理器转化后的电信号）并生成调制光信号输出，示例性的，一种量子传感前端的具体的结构设计为：如附图6所示，包含一基板10、前端光路模块、光电池模块12、激励激光模块13、光电二极管15以及光发送机16，其中前端光路模块、光电池模块12、激励激光模块13、光电二极管15以及光发送机16均安装在基板10上，前端光路模块包含第一光纤耦合器111、光纤、双色片112（含笼座，图中未示出）以及第二光纤耦合器113，固态自旋量子探头14为一设在传感光纤141端部中心的含NV色心的金刚石颗粒，传感光纤141的另一端连接第二光纤耦合器113，使用时，供能激光通过第一光纤耦合器111进入量子传感前端，并通过光纤连接光电池模块12，通过光电转化，供能激光成为前端电能并为激励激光模块13（532nm激光源），激励激光模块13输出532nm激光，532nm激光穿过双色片112后并经第二光纤耦合器113耦合进入传感光纤141，最终照射含NV色心的金刚石颗粒并使其产生反馈荧光，反馈荧光沿原光路返回并经双色片112折射后被光电二极管15接收（还可设置滤波器先进行滤波），光电二极管15输出电信号至光发送机16，光发送机16根据电信号对应输出调制光信号，调制光信号通过第一光纤耦合器111耦合至光纤中以输出。

检测系统实施例

本例提出一种检测系统，其应用了如前的各类量子传感前端，如附图7所示（图中虚线框表示该模块可在可不在），还包含后端以及连接于二者之间的传输线路，后端包含供能激光模块和主机，供能激光模块用于输出供能激光，供能激光通过传输线路传输至量子传感前端，主机用于整机控制及数据分析计算。

为了保证供能激光的光电转化效率以及减少供能激光在传输线路上损耗，本例中，供能激光的波长区间为800~1100nm（常规光电池吸收波段400-1100nm，光纤通信波段800-1600nm，考虑此原因，限定了供能激光的波长区间），优选为850nm。

在量子传感前端输出光信号的结构设计下，传输线路中会传输供能激光或探测光信号（反馈荧光或调制光信号），传统设计上，传输线路包含两根独立的光纤分别进行两种光信号的传输，为简化光路，在另外一些实施例中，将传输线路设计为一根光纤，在量子传感前端与后端二者之间传输的光信号均通过此光纤进行传输，示例性的，如附图8所示，该光纤的两端各设有三端口的环形器，通过环形器实现供能激光和探测光信号在同一光纤的传输，且两者工作互不干扰，此为环形器的常见功能，其接线如图所示，此处不再赘述。

另外，基于前述实施例中提及的各类量子传感前端，检测系统的后端会做适应性设计，具体的解释是，当前端无微波模块时，可以在后端设计微波模块；当前端直接输出反馈荧光时，后端应设计光电探测模块；当前端输出调制光信号时，后端应设计光接收机等。

可以预知的是，本检测系统可以是磁场、电场、温度等因素进行传感。

检测方法实施例

参见附图9，本实施例提出一种检测方法，包含以下步骤：

S1、获取外部的供能激光，示例性的，在一些实现方式中，利用光纤接头作为获取供能激光的连接器，供能激光通过光纤传输至光纤接头，通过光纤接头完成供能激光的引入，在另外一些实现方式中，供能激光以空间光的形式传输（非光纤传输），因而也可以使用一些光学镜片实现对空间激光的获取及汇聚；

S2、将供能激光转化为内部电能，在一些实现方式中，利用光电池转化供能激光为电能使用，并且通过DC-DC变换器进行调节输出；

S3、利用该内部电能为内部激光源供电以产生激励激光，在一些实现方式中，以NV色心量子探头为例，内部激光源产生的激励激光的波长为532nm激光；

S4、固态自旋量子探头感知待测量并在激励激光的作用下产生对应强度的反馈荧光，在一些实现方式中，以NV色心量子探头为例，其能够对电磁、磁场、压力、温度等物理量进行感知并在532nm激光的激励下产生红色的反馈荧光；

S5、对反馈荧光进行收集及分析计算得到待测量，在一些实现方式中，分析计算的方式包括公式计算以及标定法。

在对反馈荧光进行收集时，可参考前述实施例中提及的方式，如可直接将检测端形成的反馈荧光直接传回后端进行收集计算，也可直接在检测端收集反馈荧光并将其转化为电信号后传输至后端进行计算分析，还可以利用光纤通信技术，在检测端将反馈荧光转化为通信波段的调制光信号后再传输至后端进行计算分析。

考虑到ODMR检测法的优越性，在一些实施方式中，还利用激励微波对固态自旋量子探头进行同步激励。

一般而言，除非在权利要求中另外提供，否则可以以任意次序执行所公开的处理操作。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (13)

1.一种量子传感前端，其特征在于，包含：

前端光路模块，用于获取外部的供能激光及光信号的调节、传输；

光电池模块，用于将供能激光转化为前端电能并为量子传感前端内的用电器件供电；

激励激光模块，其利用前端电能供电并产生激励激光；

固态自旋量子探头，用于在激励激光的作用下产生反馈荧光。

2.根据权利要求1所述的一种量子传感前端，其特征在于，所述固态自旋量子探头包含金刚石NV色心。

3.根据权利要求1或2所述的一种量子传感前端，其特征在于，还包含微波模块，所述微波模块用于输出作用于固态自旋量子探头的激励微波。

4.根据权利要求1所述的一种量子传感前端，其特征在于，还包含光回收模块，所述光回收模块用于回收量子传感前端内的无用光信号，并通过光电池模块将无用光信号转化为前端电能。

5.根据权利要求1所述的一种量子传感前端，其特征在于，用于从激励激光模块向固态自旋量子探头传输激励激光的光路长度不大于5m。

6.根据权利要求1所述的一种量子传感前端，其特征在于，还包含光电探测模块，所述光电探测模块用于采集反馈荧光并形成电信号输出。

7.根据权利要求6所述的一种量子传感前端，其特征在于，所述光电探测模块还包含锁相处理单元。

8.根据权利要求6所述的一种量子传感前端，其特征在于，还包含处理器，所述处理器用于对光电探测模块输出的电信号进行计算分析以得到待测量，并将该待测量以电信号形式输出。

9.根据权利要求6-8任一项所述的一种量子传感前端，其特征在于，还包含光发送机，所述光发送机接入光电探测模块输出的电信号并生成调制光信号输出。

10.一种检测系统，其特征在于，包含如权利要求1-9任一项所述的量子传感前端、后端以及连接于二者之间的传输线路，所述后端包含供能激光模块和主机，所述供能激光模块用于输出供能激光，所述供能激光通过传输线路传输至量子传感前端，所述主机用于数据分析计算。

11.根据权利要求10所述的检测系统，其特征在于，所述供能激光的波长区间为800~1100nm。

12.根据权利要求10所述的检测系统，其特征在于，所述传输线路包含一光纤，在量子传感前端与后端二者之间传输的光信号均通过此光纤进行传输。

13.一种检测方法，其特征在于，包含以下步骤：

S1、获取外部的供能激光；

S2、将供能激光转化为内部电能；

S3、利用该内部电能为内部激光源供电以产生激励激光；

S4、固态自旋量子探头感知待测量并在激励激光的作用下产生对应强度的反馈荧光；

S5、对反馈荧光进行收集及分析计算得到待测量。