本發(fā)明涉及精密測量領域，尤其涉及一種基于新型量子弱測量的高精密磁場計。

背景技術：

利用物理學的基本原理實現(xiàn)高精密測量是推動物理學本身和精密測量技術發(fā)展的重要驅動力，尤其是基于光學原理和技術的高精密測量方法已經可以用來測量引力波造成的微小相位擾動和實現(xiàn)超越衍射極限的成像。弱測量是從量子力學基本原理出發(fā)，用來放大微弱信號的一個有效手段，它在消耗大量的測量樣本的同時可以帶來更高的信噪比，具有經典方法無法達到的分辨能力。

測量的含義就是把物體的某一性質，也就是物理學上說的可觀測量，通過與另外一個物體，也就是“尺子”的某個可觀測量進行比較給予量化。測量是人類認知物理世界的基本手段，測量能力的一個重要指標就是分辨率。在高精密測量中，為了提高分辨率，很多情況下光被選擇作為這把“尺子”。這主要是由于光有以下幾方面的優(yōu)點。首先，光子可以攜帶信息以光速傳播，適合進行大空間尺度的觀測。其次，光子可以與物質產生相互作用，可以用來探測物質內部的各種屬性，比如自旋，能級分布等。更重要的是，光子本身的可觀測物理量，比如相位，與系統(tǒng)作用后產生的微小變化可以轉化為光子數的變化，從而被精確的測定。所以測定光的相位差對于高精密測量是很重要的一個技術手段。因為物理學中相位差是和干涉效應緊密聯(lián)系在一起的，而干涉結果的測量可以有很多成熟和精密的光學電學手段。所以利用光學干涉的方法來測量光的相位變化，從而來測定引起這個相位變化的物理量是實現(xiàn)高精密測量有效方法。激光干涉測量引力波和潛艇光纖陀螺導航儀都是光干涉精密測量成功應用的范例。

弱測量最初是由Aharonov,Albert,and Vaidma在1988年提出。雖然由弱測量中弱值的概念看上去只是由一系列數學上的表達式演變出來的理論游戲，但是在之后的若干實驗工作中它被證明是具有真實物理意義并可以用來解決實際測量問題的。

光子的相位差可以被當作一把尺子，如果系統(tǒng)的某個物理參數可以與光子的相位差產生耦合，就可以通過這尺子被精確的測量出來。磁光晶體是可以一種把磁場和光產生相互作用的晶體，對于不隨時間而變化的直流磁場的測量。常用的測量儀器有以下7種：力矩磁強計、磁通計和沖擊檢流計、旋轉線圈磁強計、磁通門磁強計、霍耳效應磁強計、核磁共振磁強計與磁位計；但是，這些測量儀器的測量精度并不高。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于新型量子弱測量的高精密磁場計，利用特定的偏置相位差改變了傳統(tǒng)弱測量的工作點，極大提高了測量的精度。

本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的：

一種基于新型量子弱測量的高精密磁場計，包括：LED白光源、光子初態(tài)制備系統(tǒng)、磁光耦合系統(tǒng)以及探測系統(tǒng)；其中：

所述LED白光源，用于產生與磁場相互作用的寬譜光子；

所述初態(tài)制備系統(tǒng)，用于將LED光源產生的寬譜光子準直，并將寬譜光子的偏振態(tài)制備到所需量子態(tài)上；

所述磁光耦合系統(tǒng)，用于將寬譜光子的量子態(tài)和磁場耦合后輸出；

所述探測系統(tǒng)，用于將寬譜光子圓偏振態(tài)轉化為線偏振態(tài)，并在線偏振態(tài)中的水平和豎直偏振之間引入一個穩(wěn)定的偏置相位差，從而將系統(tǒng)的工作點設置于最敏感區(qū)域；再進行偏振態(tài)投影從而對寬譜光子進行后選擇，測量后選擇出寬譜光子的光譜分布；通過比照光譜分布的變化，從而測算出磁光耦合系統(tǒng)所處位置磁場強度的變化。

所述初態(tài)制備系統(tǒng)包括：準直透鏡組與第一Wollaston棱鏡；

所述準直透鏡組，用于將LED光源產生的寬譜光子準直；

所述第一Wollaston棱鏡，用于將準直后的寬譜光子態(tài)制備到左旋偏振L與右旋偏振R的量子疊加態(tài)。

所述磁光耦合系統(tǒng)為磁光晶體，磁光晶體放置為平行于磁場方向。

所述探測系統(tǒng)包括：1/4-1/2波片組、1/2波片組、第二Wollaston棱鏡以及光譜儀；其中：

所述1/4-1/2波片組，用于將寬譜光子從左旋偏振L與右旋偏振R的量子疊加態(tài)轉換成水平和豎直偏振的線偏振態(tài)；

所述1/2波片組，用于在光子水平和豎直偏振態(tài)之間引入一個穩(wěn)定的偏置相位差，從而將系統(tǒng)的工作點設置于最敏感區(qū)域；

所述第二Wollaston棱鏡，用于進行偏振態(tài)投影從而對寬譜光子進行后選擇；

所述光譜儀，用于測量后選擇出寬譜光子的光譜分布，通過比照光譜分布的變化，從而測算出磁光耦合系統(tǒng)所處位置磁場強度的變化。

由上述本發(fā)明提供的技術方案可以看出，無需要精密的電子時間分辨設備；對光源要求低，只需要一個LED燈而無需使用激光；沒有干涉和相位匹配需要，對環(huán)境穩(wěn)定性要求低；精度高，誤差隨著光子數積累增多，可以達到標準量子極限；此外，整磁場計中也沒有使用光學干涉儀，因而穩(wěn)定性十分可靠，相比傳統(tǒng)的弱測量方案，精度可以提高兩個數量級以上。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域的普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他附圖。

圖1為本發(fā)明實施例提供的一種基于新型量子弱測量的高精密磁場計的示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例提供的一種光譜儀的內部結構示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例提供的工作點區(qū)域光譜分布演化圖；

圖4為發(fā)明實施例提供的時間分辨能力曲線。

具體實施方式

下面結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明的保護范圍。

圖1為本發(fā)明實施例提供的一種基于新型量子弱測量的高精密磁場計的示意圖。如圖1所示，其主要包括：LED白光源11、光子初態(tài)制備系統(tǒng)、磁光耦合系統(tǒng)以及探測系統(tǒng)；其中：

所述LED白光源11，用于產生與磁場相互作用的寬譜光子；

所述初態(tài)制備系統(tǒng)，用于將LED光源產生的寬譜光子準直，并將寬譜光子的偏振態(tài)制備到所需量子態(tài)上；

所述磁光耦合系統(tǒng)，用于將寬譜光子所制備的量子態(tài)和磁場耦合后輸出；

所述探測系統(tǒng)，用于將寬譜光子圓偏振態(tài)轉化為線偏振態(tài)，并在線偏振態(tài)中的水平和豎直偏振之間引入一個穩(wěn)定的偏置相位差，從而將系統(tǒng)的工作點設置于最敏感區(qū)域；再進行偏振態(tài)投影從而對寬譜光子進行后選擇，測量后選擇出寬譜光子的光譜分布；通過比照光譜分布的變化，從而測算出磁光耦合系統(tǒng)所處位置磁場強度的變化。

本發(fā)明實施例中，所述初態(tài)制備系統(tǒng)包括：準直透鏡組12與第一Wollaston棱鏡13；所述準直透鏡組12，用于將LED光源產生的寬譜光子準直；所述第一Wollaston棱鏡13，用于將準直后的寬譜光子態(tài)制備到水平偏振H的線偏振態(tài)上，也可以看成左旋偏振L與右旋偏振R的量子疊加態(tài)。

本發(fā)明實施例中，所述磁光耦合系統(tǒng)為磁光晶體14(法拉第磁光晶體)，磁光晶體14放置為平行于磁場方向。

本發(fā)明實施例中，所述探測系統(tǒng)包括：1/4-1/2波片組15、1/2波片組16、第二Wollaston棱鏡17以及光譜儀18；其中：

所述1/4-1/2波片組15，用于將寬譜光子從左旋偏振L與右旋偏振R的量子疊加態(tài)轉換成水平和豎直偏振的線偏振態(tài)；

所述1/2波片組16，用于在光子水平和豎直偏振態(tài)之間引入一個穩(wěn)定的偏置相位差，從而將系統(tǒng)的工作點設置于最敏感區(qū)域；

所述第二Wollaston棱鏡17，用于進行偏振態(tài)投影從而對寬譜光子進行后選擇；

所述光譜儀18，用于測量后選擇出寬譜光子的光譜分布，通過比照光譜分布的變化，從而測算出磁光耦合系統(tǒng)所處位置磁場強度的變化。

以上為本發(fā)明實施例提供的高精密磁場計主要組成結構，為了便于理解，下面針對其工作原理做進一步介紹。

如圖2所示，LED光源11發(fā)出的白光為球面波前的發(fā)散光，因而可以近似看作為一個點光源。該磁場計中的準直透鏡組12中兩片消色差透鏡的距離約為兩個透鏡的焦距之和，其中一個放置于可前后移動平移臺上，通過調節(jié)前后位置可使白光源照射在透鏡上的光整形為近似平行光束。因為LED光源的出射光偏振為混偏態(tài)，所述第一Wollaston棱鏡13會將這些光子分為水平偏振(H)和豎直偏振光(V)，并在空間上分開。遮擋住豎直偏振光后，留下的水平偏振光(H)可以等效為右旋(R)和左旋(L)偏振的疊加態(tài)(R+L)，并穿過磁光晶體14。磁光晶體14為一長圓柱型晶體，放置方向與需要測量的磁場方向相平行。當有磁場存在時，磁光效應會在左右旋圓偏振光分量間引入一個與磁場強度成正比的相位差δ，光子態(tài)演化為R+L*exp(iδ)，通過測量這個相位差，即可推算出磁場強度。具體方法如下：假設磁光晶體對于左旋和右旋偏振光的折射率分別為n_L和n_R,左旋和右旋偏振光經過晶體后產生的相位差為δ＝(n_L-n_R)ωL/c，對應的線偏振光旋轉角度為(n_L-n_R)ωL/2c，其中ω為光的頻率，L為晶體長度，c為真空光速。當磁光晶體的費爾德常數V確定后，長度為L的晶體旋光角度為VBL，其中B為磁場強度，從以上結果可以得到δ＝2VBL。

1/4-1/2波片組15將左，右旋偏振光分別轉換為水平，豎直偏振光，光子態(tài)演化為H+V*exp[iδ]。1/2波片組16中第一片1/2波片的e軸處于水平方向，第二片1/2波片的e軸處于豎直方向，當兩個波片表面平行時對光子態(tài)不進行任何改變。通過繞豎直方向旋轉第二片1/2波片，可以在水平和豎直偏振態(tài)之間引入一個偏置相位差Δ，光子態(tài)演化為H+V*exp[i(δ+Δ)]。第二Wollaston棱鏡17用于檢偏，將光子態(tài)投影到H+V*exp[π-ε]。由于檢偏態(tài)與光子入射態(tài)接近于正交，只有極少數的光子被后選擇出來進入光譜儀18。

為了達到極限的分辨能力，需要通過引入偏置相位差將整個系統(tǒng)設置在最敏感的工作點上。這個工作點由后選擇光子的光譜分布確定。具體做法如下：通過調節(jié)1/2波片組引入的相位差Δ，并觀測相應的后選擇光子光譜分布情況，直到產生如圖3所示的光譜干涉相消現(xiàn)象，也就是在原先的光譜上出現(xiàn)一個干涉相消的零點。隨著Δ增加，零點會從高頻方向出現(xiàn)掃過整個光譜范圍。通過計算可知，當零點處于光譜分布的中心點時，系統(tǒng)將具有最高的靈敏度。

按以上所述方法將整個系統(tǒng)設置于工作點之后，如果磁場發(fā)生改變，磁光晶體引入的相位差δ也會產生變化，干涉相消點產生偏移，通過測算光譜的平均位置，可以推算出δ變化的大小，再由δ＝2VBL推算出磁場的變化。

本發(fā)明實施例中精確控制所述1/2波片組16兩片1/2波片的相對傾角，因為當傾角引入的偏置相位差Δ非常精確且穩(wěn)定時，才能將系統(tǒng)穩(wěn)定在最靈敏的工作點，此時所有的相位差變化都將由磁場變化引起。同時，本發(fā)明實施例中誤差主要由光譜儀CCD(電荷耦合元件)的測量積分時間決定，時間越長，積累的光子數越多，產生的隨機誤差就越小。

本發(fā)明實施例無需要精密的電子時間分辨設備；對光源要求低，只需要一個LED燈而無需使用激光；沒有干涉和相位匹配需要，對環(huán)境穩(wěn)定性要求低；精度高，誤差隨著光子數積累增多，可以達到標準量子極限。

為了進一步介紹本發(fā)明，本發(fā)明實施例例舉具體的數值對該裝置中的元件參數進行介紹；需要說明的是，所例舉的元件參數數值僅為便于理解本發(fā)明，并非構成限制；在實際應用中，用戶可以根據需求或經驗采用不同參數的元件。

本發(fā)明實施例中LED光源11可以為中心波長800nm，譜寬為100nm，功率3W。準直透鏡組12兩片透鏡的焦距為10cm,第一片透鏡的直徑為5.08cm,第二片透鏡直徑為2.54cm且放置于可前后移動的一維手動可調平移臺上。第一片透鏡距LED光源11的距離大約為20cm,調節(jié)第二片透鏡與第一片的相對位置，直到出射的光束接近于平行光束。

本發(fā)明實施例中，第一Wollaston棱鏡13為方解石材質，鍍700－900納米增透膜，形狀為立方體，通光口徑為10mm,偏振消光比為100000：1。。

本發(fā)明實施例中，磁光晶體14為圓柱形TGG晶體(鋱鎵石榴石)，費爾德常數V～100rad/T·m。通光口徑10mm,長度為10cm，鍍700－900納米增透膜。

本發(fā)明實施例中，1/4-1/2波片組15為裝置在旋轉鏡架中的1英寸零階圓形波片，鍍700－900納米增透膜。1/4波片的e軸處于水平位置，1/2波片的e軸與水平方向夾角為22.5度。

本發(fā)明實施例中，1/2波片組16為裝置在旋轉鏡架中的1英寸真零階圓形波片，鍍700－900納米增透膜。第一波片的e軸處于水平位置，第二波片的e軸與水平方向夾角為90度且放置在可繞豎直方向轉動的旋轉臺上。

本發(fā)明實施例中，第二Wollaston棱鏡17為方解石材質，鍍700－900納米增透膜，形狀為立方體，通光口徑為10mm,偏振消光比為100000：1。

本發(fā)明實施例的測量系統(tǒng)為一臺光柵光譜儀18，該光柵光譜儀18的結構如圖2所示，從狹縫處入射的聚焦光在進入光柵光譜儀后迅速發(fā)散，照射在距離狹縫1000毫米的一個尺寸為110*110毫米的第一凹面鏡181上，該凹面鏡的焦距為1000毫米，所以發(fā)散光經過該凹面鏡反射后擴束為直徑是原先5.5倍的平行光。擴束后的平行光照射到閃耀光柵183上，該光柵可線數為600線每毫米,閃耀波長1500納米。被光柵衍射的光束經過第二凹面鏡182聚焦后，照射在硅光電探測器ICCD184上。該探測器像素值為1024*256，響應波長為300－1000納米。由此構成的光柵光譜儀的分辨率為0.008納米。

在這些給定的元件參數下，通過計算得到本發(fā)明實施例的時間分辨能力如圖4下方單點虛線所示(CDIWM Scheme)，橫坐標ε的數值為第二Wollaston棱鏡17檢偏態(tài)H+V*exp[π-ε]中的參數?？梢钥吹疆敠泡^小時，本發(fā)明實施例的時間分辨率可以達到10^-24秒，比圖4上方虛線所示常規(guī)的弱測量方法(SWM Scheme)高出兩個數量級。

如果使用10cm長的TGG晶體，根據上述的各元件參數，可以計算出該裝置對δ的分辨率達到10^-23秒，進而由公式δ＝2VBL可以推算出磁場分辨率可以達到10^-10特斯拉。這個結果已經達到現(xiàn)在最精密的超導量子干涉磁強計的精度，相比之下本發(fā)明的方案不需要低溫，各種裝置成本也較低。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明披露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內。因此，本發(fā)明的保護范圍應該以權利要求書的保護范圍為準。