[發(fā)明專利]基于量子弱測量的弱磁場強(qiáng)度測量分析儀及方法

有效

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• 申請日: 2018-04-09
• 公開（公告）號: CN108519565B
• 公開（公告）日: 2021-01-22
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張志友;周航;李威
• 申請（專利權(quán)）人: 四川大學(xué)
• 主分類號: G01R33/032
• 分類號: G01R33/032
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11246
• 代理人: 夏艷

本發(fā)明涉及一種基于量子弱測量的弱磁場強(qiáng)度測量分析儀及方法，利用磁光法拉第效應(yīng)將待測位置的磁場轉(zhuǎn)換為與光子自旋分裂相關(guān)的測量參數(shù)。此方法中，光子自旋分裂對旋光效應(yīng)非常敏感，而對光源的波動性和環(huán)境噪聲不敏感，因此可以很好的抑制噪聲，提高測量精度。光子的自旋分裂可通過量子弱測量放大(表現(xiàn)為通過前、后偏振態(tài)后，探測器上光斑的質(zhì)心位移，即依據(jù)光斑的能量分布計算得到的能量重心位置)，進(jìn)行精確測定，從而高精度的獲得待測位置沿光路方向的磁場強(qiáng)度。本發(fā)明所公布的基于量子弱測量的弱磁場傳感技術(shù)對噪聲的抑制能力較強(qiáng)，也可以作為一種實(shí)時、無標(biāo)記的高靈敏度磁效應(yīng)測量技術(shù)，在物理、化學(xué)、生物及工程技術(shù)等領(lǐng)域有較大應(yīng)用。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光學(xué)儀器技術(shù)，具體涉及一種基于量子弱測量的弱磁場強(qiáng)度測量分析儀及方法。

背景技術(shù)

在磁測量技術(shù)領(lǐng)域，就磁現(xiàn)象而言大體可分為弱磁場、強(qiáng)磁場和甚強(qiáng)磁場三大類，而弱磁場的測量水平在很大程度上代表了國家磁場測量的技術(shù)發(fā)展水平，弱磁場檢測技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用也一直是人們至為關(guān)切的問題。我們知道弱磁場的檢測技術(shù)是地磁常規(guī)和地震預(yù)兆檢測的最適用技術(shù),比如:加拿大的全國地磁網(wǎng)就是應(yīng)用磁通門技術(shù)實(shí)現(xiàn)的；航磁地磁測量和宇航工程的磁場測量，使用的都是弱磁場技術(shù)；高精度的測磁儀器是地面磁法探礦的主要設(shè)備；軍事上艦艇的消磁、魚雷的的制導(dǎo)和衛(wèi)星測距等都需要用到弱磁場技術(shù)；工程上也可以通過對一些材料作非破壞性檢測，進(jìn)而檢測其內(nèi)部的缺陷；現(xiàn)代弱磁技術(shù)在生物工程和醫(yī)療器械方面更是有重要的應(yīng)用,如:核磁共振、肺磁診斷儀、胃磁診斷儀等。

現(xiàn)行的弱磁場磁強(qiáng)計是在各種經(jīng)典的磁測量基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。例如,基于磁針原理的無定向磁強(qiáng)計,應(yīng)用電子負(fù)反饋技術(shù)和數(shù)字技術(shù)后,其分辨力可達(dá)10^-9～10^-10T。但由于儀器的調(diào)整困難、環(huán)境條件要求苛刻,除在地磁觀測中應(yīng)用外,已很少使用。由于霍爾器件的材料和工藝的改進(jìn),霍爾效應(yīng)磁強(qiáng)計的靈敏一度有了顯著的改善,某些商品化的磁強(qiáng)計的測量下限己經(jīng)作到10^-5T，但是大多數(shù)霍爾效應(yīng)磁強(qiáng)計灼靈敏度還不太高,測量弱磁場時還存在漂移等實(shí)際問題。現(xiàn)代的感應(yīng)線圈磁強(qiáng)計都是利用電子技術(shù)將感應(yīng)電動勢放大和積分后顯示的。近年來，現(xiàn)代的感應(yīng)線圈磁強(qiáng)計都是利用電子技術(shù)由于電子積分器和V－f變換器性能的提高,感應(yīng)線圈磁強(qiáng)計的測量精確度已經(jīng)可以達(dá)到±0.2％～±0.1％。例如，國產(chǎn)的CST－2型數(shù)字磁通表，測量范圍為10^-8～10Wb，精確度為±0.2％～±0.5％。美國的726M12型旋轉(zhuǎn)線圈磁強(qiáng)計，測量范圍為5×10^-8～5×10^-2T，分辨力為5×10^-10T。隨著線圈匝數(shù)的增加，感應(yīng)線圈的靈敏度將會提高。但它受線圈自身的諧振頻率的限制，而去匝數(shù)越高的線圈其空間鑒別能力就會越差。然而人們感興趣的通常是空間中某一點(diǎn)的磁場強(qiáng)度，因此又要求了線圈的尺寸，從而限制了線圈的精度。現(xiàn)有的其它常用測磁法，例如質(zhì)子旋進(jìn)磁強(qiáng)計、磁通門磁強(qiáng)計、光泵磁強(qiáng)計等。其中精度最高的磁通門測量計可達(dá)10^-8～10^-10T，并常用于宇航中。

發(fā)明內(nèi)容

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的是提供一種將光學(xué)諧振腔應(yīng)用到弱磁場信號放大上，從而大幅提高可測弱磁場的精度的基于量子弱測量的弱磁場強(qiáng)度測量分析儀及方法。

本發(fā)明基于量子弱測量的弱磁場強(qiáng)度測量分析儀，包括：激光發(fā)射裝置，激光發(fā)射器輸出的激光依次經(jīng)過的光發(fā)生裝置、光強(qiáng)調(diào)節(jié)器、前偏振態(tài)制備器、諧振腔前鏡、磁光法拉第晶體、諧振腔后鏡、前共焦凸透鏡、玻璃三棱鏡、后偏振態(tài)制備器及后共焦凸透鏡輸出的光束輸入光接收裝置；

發(fā)光裝置出射的光束經(jīng)光強(qiáng)調(diào)節(jié)器、前偏振態(tài)制備器、諧振腔及其中的磁致旋光晶體、共焦前凸透鏡后入射到玻璃三棱鏡的光束偏振態(tài)為前選擇量子態(tài)，在玻璃三棱鏡處產(chǎn)生反射光束，反射光束經(jīng)后偏振態(tài)制備器出射的偏振態(tài)為后選擇量子態(tài)，再經(jīng)共焦后凸透鏡變?yōu)闇?zhǔn)直光束，進(jìn)入光接收裝置記錄光束的光強(qiáng)；