[发明专利]基于稀土离子掺杂光学晶体的量子传感器及其用途

说明书

本公开提供了一种基于稀土离子掺杂光学晶体的量子传感器，其包含：稀土离子掺杂光学晶体；低温提供单元，其向稀土离子掺杂光学晶体提供低温工作环境；恒定磁场产生单元，其向稀土离子掺杂光学晶体施加恒定磁场；光场产生单元，其提供对稀土离子掺杂光学晶体进行光学泵浦使稀土离子处于自旋初态的光场，以及用于激发稀土离子掺杂光学晶体的拉曼散射的光场；脉冲磁场产生单元，其向稀土离子掺杂光学晶体施加垂直于恒定磁场的脉冲磁场，使稀土离子掺杂光学晶体产生自旋回波；和外差式拉曼散射光场探测分析单元，其探测并分析从稀土离子掺杂光学晶体辐射的拉曼散射光场。本公开还提供该量子传感器用于磁场传感、电场传感的用途和传感方法。

技术领域

本公开涉及量子传感器领域，尤其涉及一种基于稀土离子掺杂光学晶体的量子传感器及其用途。

背景技术

磁场测量具有悠久的发展历史，早在公元前三世纪，人们就利用指南针探测地磁场从而实现定向。在现代社会，磁场具有更广泛的应用，典型的例子有磁悬浮列车、磁存储、医学磁共振成像以及磁约束的核聚变装置等。相应地，人们也发展出多种新型的精密磁场测量技术，典型的例子有超导磁通干涉仪传感器、霍尔效应传感器、磁阻传感器以及磁共振传感器等。这些精密磁场测量技术已经在信息、工程、医学、物理学及空间科学等各种领域取得广泛的应用。

近年来，随着量子信息技术的发展，人们发展出了基于量子干涉的新型磁场测量技术。量子系统的相干性一般比较脆弱，极易受环境涨落的干扰，故基于量子干涉的磁场传感器相比传统的霍尔探头等传感器具有显著提升的灵敏度。

量子干涉型磁场传感器的一个典型的代表是基于金刚石NV色心的磁力计。这种传感器的基本原理是利用自旋回波现象，在自旋演化的过程中感受外磁场引起的相位演化。目前基于NV色心的磁场传感可以达到nT以下的灵敏度，可以实现微观尺度的磁共振成像，还可以实现单个神经元、单个蛋白质所产生磁场的探测，因此在物理，化学，生命科学等诸多领域有广泛应用前景。

然而，对于具有更高灵敏度和更广工作频段的量子传感器，仍存在着需要。

发明内容

为了实现上述目的，在一个方面，本公开提供一种基于稀土离子掺杂光学晶体的量子传感器，其特征在于，所述量子传感器包含：

稀土离子掺杂光学晶体；

低温提供单元，其向所述稀土离子掺杂光学晶体提供低温工作环境；

恒定磁场产生单元，其向所述稀土离子掺杂光学晶体施加恒定磁场；

光场产生单元，其提供对所述稀土离子掺杂光学晶体进行光学泵浦使稀土离子处于自旋初态的光场，以及用于激发所述稀土离子掺杂光学晶体的拉曼散射的光场；

脉冲磁场产生单元，其向所述稀土离子掺杂光学晶体施加垂直于所述恒定磁场的脉冲磁场，使所述稀土离子掺杂光学晶体产生自旋回波；和

外差式拉曼散射光场探测单元，其以光外差法探测并分析从所述稀土离子掺杂光学晶体受激辐射的拉曼散射光场。

在一个实施方案中，所述稀土离子掺杂光学晶体是Eu：YSO、Nd：YSO、Er：YSO、Pr：YSO或Tm：YSO晶体。

在一个实施方案中，所述光场产生单元包括：

激光器，其发出连续激光；和

光调制器，其将由所述激光器发出的连续激光调制为调制的光场。

在一个实施方案中，所述激光器是窄线宽激光器。

在一个实施方案中，所述光调制器是声光调制器。

在一个实施方案中，所述脉冲磁场产生单元包括：

矢量微波产生单元，其产生矢量微波脉冲；和