一种基于新型量子弱测量的高精密磁场计制造技术

本发明专利技术公开了一种基于新型量子弱测量的高精密磁场计，其包括：LED白光源，用于产生与磁场相互作用的宽谱光子；初态制备系统，用于将LED光源产生的宽谱光子准直，并将宽谱光子的偏振态制备到所需量子态上；磁光耦合系统，用于将宽谱光子所制备的量子态和磁场耦合后输出；探测系统，用于将宽谱光子圆偏振态转化为线偏振态，并在线偏振态中的水平和竖直偏振之间引入一个稳定的偏置相位差，从而将系统的工作点设置于最敏感区域；再进行偏振态投影从而对宽谱光子进行后选择，测量后选择出宽谱光子的光谱分布；通过比照光谱分布的变化，从而测算出磁光耦合系统所处位置磁场强度的变化。该方案利用特定的偏置相位差改变了传统弱测量的工作点，极大提高了测量精度。相比较超导量子干涉磁场计，可以达到相近分辨率且无需低温装置和干涉装置，成本低廉且工作状态稳定。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及精密测量领域，尤其涉及一种基于新型量子弱测量的高精密磁场计。
技术介绍
利用物理学的基本原理实现高精密测量是推动物理学本身和精密测量技术发展的重要驱动力，尤其是基于光学原理和技术的高精密测量方法已经可以用来测量引力波造成的微小相位扰动和实现超越衍射极限的成像。弱测量是从量子力学基本原理出发，用来放大微弱信号的一个有效手段，它在消耗大量的测量样本的同时可以带来更高的信噪比，具有经典方法无法达到的分辨能力。测量的含义就是把物体的某一性质，也就是物理学上说的可观测量，通过与另外一个物体，也就是“尺子”的某个可观测量进行比较给予量化。测量是人类认知物理世界的基本手段，测量能力的一个重要指标就是分辨率。在高精密测量中，为了提高分辨率，很多情况下光被选择作为这把“尺子”。这主要是由于光有以下几方面的优点。首先，光子可以携带信息以光速传播，适合进行大空间尺度的观测。其次，光子可以与物质产生相互作用，可以用来探测物质内部的各种属性，比如自旋，能级分布等。更重要的是，光子本身的可观测物理量，比如相位，与系统作用后产生的微小变化可以转化为光子数的变化，从而被精确的测定。所以测定光的相位差对于高精密测量是很重要的一个技术手段。因为物理学中相位差是和干涉效应紧密联系在一起的，而干涉结果的测量可以有很多成熟和精密的光学电学手段。所以利用光学干涉的方法来测量光的相位变化，从而来测定引起这个相位变化的物理量是实现高精密测量有效方法。激光干涉测量引力波和潜艇光纤陀螺导航仪都是光干涉精密测量成功应用的范例。弱测量最初是由Aharonov,Albert,andVaidma在1988年提出。虽然由弱测量中弱值的概念看上去只是由一系列数学上的表达式演变出来的理论游戏，但是在之后的若干实验工作中它被证明是具有真实物理意义并可以用来解决实际测量问题的。光子的相位差可以被当作一把尺子，如果系统的某个物理参数可以与光子的相位差产生耦合，就可以通过这尺子被精确的测量出来。磁光晶体是可以一种把磁场和光产生相互作用的晶体，对于不随时间而变化的直流磁场的测量。常用的测量仪器有以下7种：力矩磁强计、磁通计和冲击检流计、旋转线圈磁强计、磁通门磁强计、霍耳效应磁强计、核磁共振磁强计与磁位计；但是，这些测量仪器的测量精度并不高。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于新型量子弱测量的高精密磁场计，利用特定的偏置相位差改变了传统弱测量的工作点，极大提高了测量的精度。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种基于新型量子弱测量的高精密磁场计，包括：LED白光源、光子初态制备系统、磁光耦合系统以及探测系统；其中：所述LED白光源，用于产生与磁场相互作用的宽谱光子；所述初态制备系统，用于将LED光源产生的宽谱光子准直，并将宽谱光子的偏振态制备到所需量子态上；所述磁光耦合系统，用于将宽谱光子的量子态和磁场耦合后输出；所述探测系统，用于将宽谱光子圆偏振态转化为线偏振态，并在线偏振态中的水平和竖直偏振之间引入一个稳定的偏置相位差，从而将系统的工作点设置于最敏感区域；再进行偏振态投影从而对宽谱光子进行后选择，测量后选择出宽谱光子的光谱分布；通过比照光谱分布的变化，从而测算出磁光耦合系统所处位置磁场强度的变化。所述初态制备系统包括：准直透镜组与第一Wollaston棱镜；所述准直透镜组，用于将LED光源产生的宽谱光子准直；所述第一Wollaston棱镜，用于将准直后的宽谱光子态制备到左旋偏振L与右旋偏振R的量子叠加态。所述磁光耦合系统为磁光晶体，磁光晶体放置为平行于磁场方向。所述探测系统包括：1/4-1/2波片组、1/2波片组、第二Wollaston棱镜以及光谱仪；其中：所述1/4-1/2波片组，用于将宽谱光子从左旋偏振L与右旋偏振R的量子叠加态转换成水平和竖直偏振的线偏振态；所述1/2波片组，用于在光子水平和竖直偏振态之间引入一个稳定的偏置相位差，从而将系统的工作点设置于最敏感区域；所述第二Wollaston棱镜，用于进行偏振态投影从而对宽谱光子进行后选择；所述光谱仪，用于测量后选择出宽谱光子的光谱分布，通过比照光谱分布的变化，从而测算出磁光耦合系统所处位置磁场强度的变化。由上述本专利技术提供的技术方案可以看出，无需要精密的电子时间分辨设备；对光源要求低，只需要一个LED灯而无需使用激光；没有干涉和相位匹配需要，对环境稳定性要求低；精度高，误差随着光子数积累增多，可以达到标准量子极限；此外，整磁场计中也没有使用光学干涉仪，因而稳定性十分可靠，相比传统的弱测量方案，精度可以提高两个数量级以上。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述中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专利技术的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，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附图。图1为本专利技术实施例提供的一种基于新型量子弱测量的高精密磁场计的示意图；图2为本专利技术实施例提供的一种光谱仪的内部结构示意图；图3为本专利技术实施例提供的工作点区域光谱分布演化图；图4为专利技术实施例提供的时间分辨能力曲线。具体实施方式下面结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术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专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术的保护范围。图1为本专利技术实施例提供的一种基于新型量子弱测量的高精密磁场计的示意图。如图1所示，其主要包括：LED白光源11、光子初态制备系统、磁光耦合系统以及探测系统；其中：所述LED白光源11，用于产生与磁场相互作用的宽谱光子；所述初态制备系统，用于将LED光源产生的宽谱光子准直，并将宽谱光子的偏振态制备到所需量子态上；所述磁光耦合系统，用于将宽谱光子所制备的量子态和磁场耦合后输出；所述探测系统，用于将宽谱光子圆偏振态转化为线偏振态，并在线偏振态中的水平和竖直偏振之间引入一个稳定的偏置相位差，从而将系统的工作点设置于最敏感区域；再进行偏振态投影从而对宽谱光子进行后选择，测量后选择出宽谱光子的光谱分布；通过比照光谱分布的变化，从而测算出磁光耦合系统所处位置磁场强度的变化。本专利技术实施例中，所述初态制备系统包括：准直透镜组12与第一Wollaston棱镜13；所述准直透镜组12，用于将LED光源产生的宽谱光子准直；所述第一Wollaston棱镜13，用于将准直后的宽谱光子态制备到水平偏振H的线偏振态上，也可以看成左旋偏振L与右旋偏振R的量子叠加态。本专利技术实施例中，所述磁光耦合系统为磁光晶体14(法拉第磁光晶体)，磁光晶体14放置为平行于磁场方向。本专利技术实施例中，所述探测系统包括：1/4-1/2波片组15、1/2波片组16、第二Wollaston棱镜17以及光谱仪18；其中：所述1/4-1/2波片组15，用于将宽谱光子从左旋偏振L与右旋偏振R的量子叠加态转换成水平和竖直偏振的线偏振态；所述1/2波片组16，用于在光子水平和竖直偏振态之间引入一个稳定的偏置相位差，从而将系统的工作点设置于最敏感区域；所述第二Wollaston棱镜17，用于进行偏振态投影从而对宽谱本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于新型量子弱测量的高精密磁场计，其特征在于，包括：LED白光源、光子初态制备系统、磁光耦合系统以及探测系统；其中：所述LED白光源，用于产生与磁场相互作用的宽谱光子；所述初态制备系统，用于将LED光源产生的宽谱光子准直，并将宽谱光子的偏振态制备到所需量子态上；所述磁光耦合系统，用于将宽谱光子的量子态和磁场耦合后输出；所述探测系统，用于将宽谱光子圆偏振态转化为线偏振态，并在线偏振态中的水平和竖直偏振之间引入一个稳定的偏置相位差，从而将系统的工作点设置于最敏感区域；再进行偏振态投影从而对宽谱光子进行后选择，测量后选择出宽谱光子的光谱分布；通过比照光谱分布的变化，从而测算出磁光耦合系统所处位置磁场强度的变化。

【技术特征摘要】
1.一种基于新型量子弱测量的高精密磁场计，其特征在于，包括：LED白光源、光子初态制备系统、磁光耦合系统以及探测系统；其中：所述LED白光源，用于产生与磁场相互作用的宽谱光子；所述初态制备系统，用于将LED光源产生的宽谱光子准直，并将宽谱光子的偏振态制备到所需量子态上；所述磁光耦合系统，用于将宽谱光子的量子态和磁场耦合后输出；所述探测系统，用于将宽谱光子圆偏振态转化为线偏振态，并在线偏振态中的水平和竖直偏振之间引入一个稳定的偏置相位差，从而将系统的工作点设置于最敏感区域；再进行偏振态投影从而对宽谱光子进行后选择，测量后选择出宽谱光子的光谱分布；通过比照光谱分布的变化，从而测算出磁光耦合系统所处位置磁场强度的变化。2.根据权利要求1所述的一种基于新型量子弱测量的高精密磁场计，其特征在于，所述初态制备系统包括：准直透镜组与第一Wollaston棱镜；所述准直透镜组，用于将LED光源产生的宽谱光子准直；所述第一W...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈耕，李传锋，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34