[發明專利]基于調制弱值放大技術的相位分布測量裝置及方法

有效

• 申請號: 201810346175.6
• 申請日: 2018-04-18
• 公開（公告）號: CN108645796B
• 公開（公告）日: 2021-01-22
• 發明（設計）人: 張志友;李兆雪;邱曉東;謝林果;羅蘭;劉雄
• 申請（專利權）人: 四川大學
• 主分類號: G01N21/21
• 分類號: G01N21/21
• 代理公司: 成都科海專利事務有限責任公司 51202
• 代理人: 郭萍

本發明公開了一種基于調制弱值放大技術的相位分布測量裝置及方法，該相位分布測量裝置設置有系統前選擇態單元、第一相位補償單元、系統后選擇態單元，本發明主要基于標準量子弱值放大技術，以光偏振作為量子系統自由度，采用相位補償策略，通過設置合適的第一相位補償單元和系統后選擇態單元，可對一個波長以內的任意相位實現高精度測量，是一種新型的、無損的直接光學傳感測量技術，適用于生物醫學、分析化學、材料學等多個技術領域的相位高精度測量及成像分析，具有重要應用價值。

技術領域

本發明涉及量子光學技術領域，涉及一種基于調制弱值放大技術的相位分布測量裝置及方法，利用相位補償策略和弱值放大特性，可對一個波長以內的任意相位實現精確地測量，其適用于在生物醫學、材料檢測等領域對樣品進行實時、無標記的高精度檢測。

背景技術

光學相位分布測量，是通過獲得可觀測參數的二維分布提取出待測相位分布的信息。目前，光學相位測量是通過探測器探測到光強度的二維分布，進而根據一定函數關系提取出待測相位分布，一般選擇近似的線性關系對待測相位分布進行直接成像(即獲得明暗相間的灰度圖像)。如今，光學相位分布測量已成為探測各類物理參數(如距離、材料折射率、時間延遲等)的有效方法，在現代科學技術的很多領域中發揮著重要作用。事實上，對相位分布達到更高的測量精度往往意味著能更深入地探知待測樣品的更多信息。然而，由于噪聲，目前相位分布的測量精度難以進一步提高，主要原因包括：(1)光子的散粒噪聲作為一種本質存在的固有噪聲，只有當采用非經典光源時才能得到一定程度的抑制；(2)測量過程中存在著各種類型的技術噪聲，如光源不穩定引起的功率波動、器件的非完全對準或器件的瑕疵引起的散射光、探測器引起的電子噪聲以及實驗環境中存在的雜散光等。因此，如何提高相位的測量精度一直是一項既具吸引力又具挑戰性的任務。

迄今為止，平衡零差探測技術是應用最為廣泛的相位測量技術。然而，由于該技術測量精度極低，因此只適用于對較大相位的粗略估計。近年來一項極具前景意義的測量技術，即弱值放大測量技術已被廣泛關注。由于對極其小的參數可實現驚人的放大效應，弱值放大測量技術已在各類極小物理參數測量上獲得了廣泛的應用。弱值放大測量技術最初由Aharonov Albert,and Vaidman(AAV)于1988年提出，是一項基于前選擇-弱耦合-后選擇的高精度測量技術【Y.Aharonov,D.Z.Albert,and L.Vaidman,“How the result of ameasurement of a component of the spin of aspin-1/2particle can turn out tobe 100,”Phys.Rev.Lett.60(14),2325(1988)】。采用該測量技術，不僅待測參數可以實現弱值放大，并且大量的技術噪聲可以得到明顯抑制。最近，Hosten與Kwiat實現了光自旋霍爾效應的首次實驗觀測，并獲得了0.1nm的測量靈敏度【O.Hosten and P.Kwiat,“Observation of the spin Hall effect of light via weak measurements,”Science319(5864),787-790(2008)】。Dixon等人通過實現弱值放大，在干涉儀內探測到一個400frad的微小角移【P.B.Dixon,D.J.Starling,A.N.Jordan,and J.C.Howell,“Ultrasensitive beam deflection measurement viainterferometric weak valueamplification,”Phys.Rev.Lett.102(17),173601(2009)】。Qiu Xiaodong等人采用單色光源對相位實現了弱值放大，其測量精度可達10^-5rad【Qiu Xiaodong.et al.,“Precisionphase estimation based on weak-value amplification,”Applied PhysicsLetters.110,071105(2017)】。