基于量子弱测量的双通道探测的光学测量方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种基于量子弱测量的双通道探测光学测量方法，将样品置于量子弱测量系统中，通过平行双通道接收量子弱测量系统输出的光束；然后计算得到光束振幅偏移量和相位偏移量。本发明专利技术在测量光路中，以样品变化引起的光的相位和振幅变化作为量子弱测量系统的前选择量子态参数，利用弱值放大效应，通过测量放大后的光强变化实现对光束振幅和相位变化的高精度测量，是一种高灵敏度、高精度的偏振测量技术。本发明专利技术提供的基于量子弱测量的双通道探测光学测量方法，能够同时实现光束相位和振幅的高精度测量，在折射率传感测量、痕量检测及微小长度变化的测量领域具有良好的应用前景，且为研制高灵敏度折射率传感器和光学精密传感器等提供了很好的研发思路。密传感器等提供了很好的研发思路。密传感器等提供了很好的研发思路。

【技术实现步骤摘要】
基于量子弱测量的双通道探测的光学测量方法及应用


[0001]本专利技术属于光学精密测量
，涉及基于量子弱测量的光学参数测量技术，尤其涉及一种基于量子弱测量的双通道探测的光学测量方法及应用，实现对光学相位、振幅等光学参数微小变化量的高精度测量，可提升光学测量技术的精密和灵敏度。

技术介绍

[0002]利用光学手段进行精密测量和研究物质特性已被广泛应用。光与物质相互作用时，导致其振幅、相位及光谱发生变化。利用这些参数变化可以测量材料的光学参数(如折射率，反射率，透射率，磁化率，消光系数，介电常数等)，进而获得待测物质的内部原子和分子的聚集态和对称性，以及电子在能带和晶格振动态之间的分布和跃迁机制。
[0003]在光学加工领域，通常采用光学手段对衬底、膜层厚度、面形、表面微结构及光学常数进行精密检测和表征，通常需要考虑对复数反射(透射)系数进行高精度、高分辨率的测量。在磁学领域，当线偏振光在具有磁矩的介质表面发生反射时，左旋光与右旋光在磁性材料中的吸收系数(或反射系数)不同产生振幅差，在介质中传播速度的差异导致相位差，由此产生的磁圆二色谱(MCD)和磁光克尔效应(MORK)，高精度的测量MCD和MORK已成为测量磁性参数的重要手段。在生物医学检测和传感领域，如测量分子的光学活性、分子特异性结合等，光学测量也是重要的手段。此外，光学精密测量也在在工程
发挥重要作用，如激光雷达、目标跟踪和识别、精密物理参数测量等。以上诸多领域的光学测量中，主要涉及振幅和相位两个关键光学参数，而这两个关键参数又通常同时存在，并关联在一起。超高精度的同时测量振幅和相位的微小变化信息非常困难，且重要。
[0004]目前，同时获得相位和振幅变化的传统方法是椭圆偏振法、Kramers
‑
kronig关系、全息、同相和正交解调等。这些方案装置复杂，一般都需要两次及以上测量才能反演出光的相位和振幅变化量，且测量精度受到各种技术噪声的干扰，测量精度受到限制。

技术实现思路

[0005]针对目前光学测量技术中难以实现对振幅和相位同时实现高精度测量的技术现状，本专利技术目的旨在提供一种基于量子弱测量的双通道探测的光学测量方法，能够实现相位振幅同时高精度测量，大大压缩工作噪声，提高测量精度。
[0006]本专利技术的另一目的旨在提供一种基于量子弱测量的双通道探测的光学测量方法的应用。
[0007]本专利技术的专利技术构思为：将样品置于量子弱测量系统中，引入光束相位和振幅变化，相位变化量和振幅变化量可作为后选择量子态参数，利用前选择和后选择构建量子弱测量系统，对光束进行弱值放大；再通过双通道探测器对后选择之后的光强进行同时探测。基于该光学测量技术同时探测的光强分布，实现对光学相位和振幅的参数分离，进而实现通过单次测量同时获得高精度的相位和振幅微小变化。该光学测量技术对光场强度波动不敏感，对噪声的抑制能力较强，也可作为一种实时、无标记的高灵敏度光学测量和传感技术，
在物理、化学、生物及医药等领域有广泛应用前景。
[0008]为达到上述目的，本专利技术提供的基于量子弱测量的双通道探测的光学测量方法，其步骤如下：将样品置于量子弱测量系统中，通过平行双通道接收量子弱测量系统输出的光束；然后，依据以下公式计算得到光束振幅变化量和相位变化量：
[0009][0010][0011]式中，I1和I2分别表示双通道各自接收的总光强；I
d
表示双通道各自接收的总光强之差，I
t
表示双通道各自接收的总光强之和；α和β分别表示相位变化量和振幅变化量；I0表示初始光束光强；γ表示弱耦合参数，是指量子弱测量系统中光束的微小分裂或微小偏移(可以是光束在坐标空间或动量空间产生的微小分裂，如光子自选霍尔效应自旋横移或角移；或者沃拉斯顿棱镜引起的光束分裂；或者Goos
‑
(GH)位移；或者Imbert
‑
Fedorov(IF)位移；或者光束在频率空间的微小偏移量；或者光束在时域空间产生的微小偏移量等)；ΔF表示量子弱测量系统输入光束的不确定度，F0表示输入光束的中心位置，本专利技术中输入光束为高斯光束，高斯分布可以是关于位置、动量、频率或时间的分布，因此ΔF表示高斯光束的不确定度，取值为半峰宽；C表示量子弱测量系统的工作系数，可以需根据量子弱测量系统中弱耦合产生方式来设定，例如当基于反射方式时，C为菲涅尔反射系数；当基于透射方式时，C为菲涅尔透射系数。
[0012]上述|Ψ>表示量子弱测量系统中光束经后选择态制备器得到的后选择量子态；F0表示输入光束的中心位置，可以为光束质心位置，或者光束中心波矢位置，或者光束中心频率，或者光束中心波长。
[0013]上述基于量子弱测量的双通道探测的光学测量方法，量子弱测量系统包括前选择态制备器、弱耦合器和后选择态制备器；所述样品置于弱耦合器之前或之后。
[0014]当样品置于弱耦合器之前时，入射光束经前选择态制备器入射到样品表面，在样品表面发生反射或透射，反射光或透射光经弱耦合器后再经后选择态制备器后输出；
[0015]当样品置于弱耦合器之后时，入射光束经前选择态制备器和弱耦合器，入射到样品表面，在样品表面发生反射或透射，反射光或透射光经后选择态制备器后输出。
[0016]上述基于量子弱测量的双通道探测的光学测量方法，所述入射光束由光发生装置产生。所述光发生装置包括光源发生器。所述光源发生器用于提供偏振光源，可以为激光器、激光二极管、超辐射发光二极管、白光发生器和量子光源发生器等中的一种。为了实现对光源发生器出射的光束进行能量调节，可以在光源发生器出射光路上进一步设置能量调节器。所述能量调节器用于对由光源发生器发出的光束能量进行调节，可以为二分之一波片或中性衰减片；对于二分之一波片，通过调节其透振方向与入射光偏振方向的夹角实现对光能量的调节。为了对光束进行汇聚，所述光发生装置还可以进一步包括位于能量调节
器后方的第一光束变换器，所述第一光束变换器可以为单个透镜或多个透镜组成的透镜组。
[0017]上述基于量子弱测量的双通道探测的光学测量方法，所述前选择态制备器主要用于构造合适的前选择量子态，将发光装置发出的光束调整为水平或垂直平面偏振光(平面偏振光也称线偏振光)，以使平面偏振光束入射到样品界面，经该界面反射或者透射后形成椭圆偏振光。所述前选择态制备器可以为格兰激光偏振镜、沃拉斯顿棱镜或偏振片。经前选择态制备器制备的光束偏振态为量子弱测量系统的前选择量子态。
[0018]上述基于量子弱测量的双通道探测的光学测量方法，所述弱耦合器用于在量子弱测量过程中引入弱耦合作用，将样品引入的光束振幅和相位变化关联耦合到量子弱测量系统中，弱耦合可以是光束在样品界面反射或折射产生的光子自旋分裂，或者是双折射效应引起的光束分裂，或者Goos
‑
(GH)位移，或者Imbert
‑
Fedorov(IF)位移，光束在频率空间的微小偏移量，或者光束在时域空间产生的微小偏移本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于量子弱测量的双通道探测的光学测量方法，其特征在于，步骤如下：将样品置于量子弱测量系统中，通过双通道接收量子弱测量系统输出的光束；然后，依据以下公式计算得到光束振幅变化量和相位变化量：量和相位变化量：式中，I1和I2分别表示双通道各自接收的总光强；I
d
表示双通道各自接收的总光强之差，I
t
表示双通道各自接收的总光强之和；α和β分别表示相位变化量和振幅变化量；I0表示初始光束光强；γ表示弱耦合参数，是指量子弱测量系统中光束的微小分裂或微小偏移；ΔF表示量子弱测量系统的输入光束的不确定度，F0表示输入光束的中心位置；C表示量子弱测量系统的工作系数。2.根据权利要求1所述的基于量子弱测量的双通道探测的光学测量方法，其特征在于，量子弱测量系统包括前选择态制备器、弱耦合器和后选择态制备器；所述样品置于弱耦合器之前或之后。3.根据权利要求2所述的基于量子弱测量的双通道探测的光学测量方法，其特征在于，当样品置于弱耦合器之前时，入射光束经前选择态制备器入射到样品表面，在样品表面发生反射或透射，反射光或透射光经弱耦合器后再经后选择态制备器后输出；当样品置于弱耦合器之后时，入射光束经前选择态制备器和弱耦合器，入射到样品表面，在样品表面发生反射或透射，反射光或透射光经后选择态制备器后输出。4.根据权利要求1所述的基于量子弱测量的双通道探测的光学测量方法，其特征在于，所述入射光束由光发生装置产生；所述光发生装置包括光源发生器；所述光源发生器用于提供偏振光源，为激光器、激光二极管、超辐射发光二极管、白光发生器和量子光源发生器中的一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：张志友，罗兰，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：