[发明专利]基于相位偏置量子弱测量的绝对弱磁场测量设备及方法

说明书

本发明提供一种基于相位偏置量子弱测量的绝对弱磁场测量设备及方法，该设备包括主光路组件、弱耦合光路组件和处理组件，其中弱耦合光路组件用以件待测的磁场耦合到光束中；该设备的测量方法包括前期的调试和后期的测量。本发明的设备及方法可以实现对磁场大小的高灵敏度和高精度的测量，同时在正式测量前对设备进行有效的矫零调试确保结果的准确性。

技术领域

本发明涉及弱磁场测量领域，尤其涉及一种基于相位偏置量子弱测量的绝对弱磁场测量设备及方法。

背景技术

高精度和快速响应的绝对磁场测量一直是各个科学领域所追求的目标。例如对卫星在轨进行磁场测绘及实时监测、瞬变电磁系统中接收机对二次场的测量、大陆和海洋环境的航磁调查、甚至可以用于军事防御中对潜艇活动的监测。

目前对磁场测量的原理可以分为以下三类：基于电磁感应的传统磁力仪、利用核磁共振特性的质子和光泵磁力仪、基于低温量子效应的超导磁力仪。传统的电磁感应磁力仪的原理是测量闭合的线圈中磁通量的变化，线圈的电容、电感、以及寄生电容会导致测量的信号发生畸变，使得测量的结果不精确。目前较为成熟的技术是质子旋进磁力仪，绝对磁场大小的测量精度范围可以达到0.1～10nT，并且稳定性好，测量的结果只与质子的性质有关，其缺点是极化功率大，只能进行快速定点的测量，并且受磁场的梯度影响较大。随着较高温度的超导材料的出现，由超导材料制成的超导磁力仪的灵敏度可以达到10-5～10-6nT，因此近年来得到了高速的发展。但是由于超导仪器的主要工作物质是低温超导材料，需要液氮作为冷却剂，所以其实际的测量成本比较高。

二十世纪八十年代，科学家Yakir Aharonov、David Z.Albert和Lev Vaidman首次提出了量子弱测量的概念并且提出了其运用到对小信号测量的可能性。随着量子信息技术和量子测量的蓬勃发展，中国科技大学的Geng Chen团队首次提出了相位偏置量子弱测量方案[Physical Review A 94,053843(2016)]，相比传统的量子弱测量方案，相位偏置量子弱测量可以明显提高测量的灵敏度，基于量子弱测量的放大/小信号的测量技术已经有了广泛的应用[Light:scienceapplications 10,103(2021).Phys.Rev.A 105 033521(2022)]，例如对温度、角度、位移的测量，但是目前相位偏置量子弱测量的弱值放大技术在对绝对磁场的测量中应用较少。

发明内容

有鉴于此，本发明的实施例提供了一种基于相位偏置量子弱测量的绝对弱磁场测量设备及方法。

本发明的实施例提供的一种基于相位偏置量子弱测量的绝对弱磁场测量设备及方法，所述测量设备包括主光路组件、弱耦合光路组件和处理组件；

所述主光路组件包括激光源、高斯滤波片、分光镜、第一偏振片、半波片和第一四分之一波片，其中所述激光源发射水平光束经所述高斯滤波片入射到所述分光镜，所述分光镜的透射光经所述第一偏振片、半波片和所述第一四分之一波片形成前选择偏振光，所述分光镜的反射光入射到所述处理组件形成基准光谱；

所述弱耦合光路组件包括偏振分束器、第一准直透镜、磁光效应光纤环、第二准直透镜和Soleil-Babinet补偿器，其中所述前选择偏振光入射到所述偏振分束器形成第一偏振光和第二偏振光，所述第一偏振光经所述第一准直透镜、所述磁光效应光纤环、所述第二准直透镜和所述Soleil-Babinet补偿器形成第一耦合光并入射到所述偏振分束器，所述第二偏振光经所述Soleil-Babinet补偿器、所述第二准直透镜、所述磁光效应光纤环和所述第一准直透镜形成第二耦合光并入射到所述偏振分束器，所述第一耦合光和所述第二耦合光经所述偏振分束器合成耦合光束，且经第二四分之一波片和第二偏振片形成后选择偏振光并入射到所述处理组件形成测量光谱；

所述处理组件用以根据所述基准光谱和所述测量光谱，以直接获取所述测量光谱的中心波长位移，并结合基于相位偏置量子弱测量原理推理得到的中心波长位移与所述磁光效应光纤环的磁场的表征关系，计算得到所述磁场大小。