一種基于新型量子弱測量的高精密磁場計制造技術

本發明專利技術公開了一種基于新型量子弱測量的高精密磁場計，其包括：LED白光源，用于產生與磁場相互作用的寬譜光子；初態制備系統，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制備到所需量子態上；磁光耦合系統，用于將寬譜光子所制備的量子態和磁場耦合后輸出；探測系統，用于將寬譜光子圓偏振態轉化為線偏振態，并在線偏振態中的水平和豎直偏振之間引入一個穩定的偏置相位差，從而將系統的工作點設置于最敏感區域；再進行偏振態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所處位置磁場強度的變化。該方案利用特定的偏置相位差改變了傳統弱測量的工作點，極大提高了測量精度。相比較超導量子干涉磁場計，可以達到相近分辨率且無需低溫裝置和干涉裝置，成本低廉且工作狀態穩定。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及精密測量領域，尤其涉及一種基于新型量子弱測量的高精密磁場計。
技術介紹
利用物理學的基本原理實現高精密測量是推動物理學本身和精密測量技術發展的重要驅動力，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超越衍射極限的成像。弱測量是從量子力學基本原理出發，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,andVaidma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。
技術實現思路
本專利技術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弱測量的工作點，極大提高了測量的精度。本專利技術的目的是通過以下技術方案實現的：一種基于新型量子弱測量的高精密磁場計，包括：LED白光源、光子初態制備系統、磁光耦合系統以及探測系統；其中：所述LED白光源，用于產生與磁場相互作用的寬譜光子；所述初態制備系統，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制備到所需量子態上；所述磁光耦合系統，用于將寬譜光子的量子態和磁場耦合后輸出；所述探測系統，用于將寬譜光子圓偏振態轉化為線偏振態，并在線偏振態中的水平和豎直偏振之間引入一個穩定的偏置相位差，從而將系統的工作點設置于最敏感區域；再進行偏振態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所處位置磁場強度的變化。所述初態制備系統包括：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制備到左旋偏振L與右旋偏振R的量子疊加態。所述磁光耦合系統為磁光晶體，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的量子疊加態轉換成水平和豎直偏振的線偏振態；所述1/2波片組，用于在光子水平和豎直偏振態之間引入一個穩定的偏置相位差，從而將系統的工作點設置于最敏感區域；所述第二Wollaston棱鏡，用于進行偏振態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所處位置磁場強度的變化。由上述本專利技術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，對環境穩定性要求低；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，因而穩定性十分可靠，相比傳統的弱測量方案，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專利技術實施例的技術方案，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專利技術的一些實施例，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為本專利技術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為本專利技術實施例提供的一種光譜儀的內部結構示意圖；圖3為本專利技術實施例提供的工作點區域光譜分布演化圖；圖4為專利技術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專利技術實施例中的附圖，對本專利技術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專利技術一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒緦＠夹g的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本專利技術的保護范圍。圖1為本專利技術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、光子初態制備系統、磁光耦合系統以及探測系統；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；所述初態制備系統，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制備到所需量子態上；所述磁光耦合系統，用于將寬譜光子所制備的量子態和磁場耦合后輸出；所述探測系統，用于將寬譜光子圓偏振態轉化為線偏振態，并在線偏振態中的水平和豎直偏振之間引入一個穩定的偏置相位差，從而將系統的工作點設置于最敏感區域；再進行偏振態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所處位置磁場強度的變化。本專利技術實施例中，所述初態制備系統包括：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制備到水平偏振H的線偏振態上，也可以看成左旋偏振L與右旋偏振R的量子疊加態。本專利技術實施例中，所述磁光耦合系統為磁光晶體14(法拉第磁光晶體)，磁光晶體14放置為平行于磁場方向。本專利技術實施例中，所述探測系統包括：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的量子疊加態轉換成水平和豎直偏振的線偏振態；所述1/2波片組16，用于在光子水平和豎直偏振態之間引入一個穩定的偏置相位差，從而將系統的工作點設置于最敏感區域；所述第二Wollaston棱鏡17，用于進行偏振態投影從而對寬譜本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于新型量子弱測量的高精密磁場計，其特征在于，包括：LED白光源、光子初態制備系統、磁光耦合系統以及探測系統；其中：所述LED白光源，用于產生與磁場相互作用的寬譜光子；所述初態制備系統，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制備到所需量子態上；所述磁光耦合系統，用于將寬譜光子的量子態和磁場耦合后輸出；所述探測系統，用于將寬譜光子圓偏振態轉化為線偏振態，并在線偏振態中的水平和豎直偏振之間引入一個穩定的偏置相位差，從而將系統的工作點設置于最敏感區域；再進行偏振態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所處位置磁場強度的變化。

【技術特征摘要】
1.一種基于新型量子弱測量的高精密磁場計，其特征在于，包括：LED白光源、光子初態制備系統、磁光耦合系統以及探測系統；其中：所述LED白光源，用于產生與磁場相互作用的寬譜光子；所述初態制備系統，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制備到所需量子態上；所述磁光耦合系統，用于將寬譜光子的量子態和磁場耦合后輸出；所述探測系統，用于將寬譜光子圓偏振態轉化為線偏振態，并在線偏振態中的水平和豎直偏振之間引入一個穩定的偏置相位差，從而將系統的工作點設置于最敏感區域；再進行偏振態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所處位置磁場強度的變化。2.根據權利要求1所述的一種基于新型量子弱測量的高精密磁場計，其特征在于，所述初態制備系統包括：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W...

【專利技術屬性】
技術研發人員：陳耕，李傳鋒，
申請(專利權)人：中國科學技術大學，
類型：發明
國別省市：安徽;34