本发明公开了一种量子增强的磁场梯度计，所述磁场梯度计使用钛宝石激光器或者半导体激光器等相干光源作为初始的入射光源，利用孪生光束探测的方法，将量子磁力计与磁场梯度计的优点有机结合，同时降低了光的散粒噪声和共模磁场噪声，具体包括第一相干光源、第二相干光源、第三相干光源、种子光、铷‑85原子系综、闲频光、信号光、遮光板、第一铷‑87原子系综、第二铷‑87原子系综、第一偏振分束器、第二偏振分束器、第一声光调制器、第二声光调制器、第一光电探测器、第二光电探测器、第一1/2波片、第二1/2波片、第一1/4波片、第一1/4波片、减法器。本发明还公开了一种包含上述量子增强的磁场梯度计的磁力计。
1.一种量子增强的磁场梯度计，其特征在于，包括：第一相干光源(1)、第二相干光源(2)、第三相干光源(3)、种子光(4)、铷‑85原子系综(5)、闲频光(6)、信号光(7)、遮光板(8)、第一铷‑87原子系综(9)、第二铷‑87原子系综(10)、第一偏振分束器(11)、第二偏振分束器(12)、第一声光调制器(13)、第二声光调制器(14)、第一光电探测器(15)、第二光电探测器(16)、第一1/4波片(17)、第二1/4波片(18)、第一1/2波片(19)、第二1/2波片(20)、减法器(21)；其中，所述第一相干光源(1)为产生四波混频过程的泵浦光场；
所述第二相干光源(2)、第三相干光源(3)分别作为磁场梯度计的其中一个泵浦光场；
其中，第二相干光源(2)为第二铷‑87原子系综(10)中的泵浦光场，第三相干光源(3)为第一铷‑87原子系综(9)中的泵浦光场；
所述铷‑85原子系综(5)为产生四波混频过程的介质；
所述闲频光(6)为所述种子光(4)和所述第一相干光源(1)在所述铷‑85原子系综(5)中经过非线性效应‑四波混频过程所产生的光场；
所述信号光(7)为所述种子光(4)在所述铷‑85原子系综(5)中经过非线性效应‑四波混频过程放大之后的信号光场；
所述遮光板(8)用于滤除掉四波混频过程之后多余的所述第一相干光源(1)；
所述第一铷‑87原子系综(9)和第二铷‑87原子系综(10)分别设置在所述闲频光(6)和所述信号光(7)之后，用作为磁场测量的传感器；
所述第一偏振分束器(11)用于将所述闲频光(6)和所述信号光(7)分别经过所述第一铷‑87原子系综(9)、所述第二铷‑87原子系综(10)后发生偏振旋转之后的光场进行强度上的空间分束；
所述第一光电探测器(15)和所述第二光电探测器(16)分别用于对强度空间分束之后的所述信号光(7)和所述闲频光(6)进行探测；
所述第一声光调制器(13)用于将所述种子光(4)的频率红失谐于第一相干光源(1)的频率3.04GHz，所述第一相干光源(1)的频率为铷‑85原子5S1/2，F＝2→5P1/2蓝失谐1GHz；
所述第二声光调制器(14)用于将所述第二相干光源(2)和所述第三相干光源(3)调制为占空比为3％的脉冲泵浦光；
所述第二偏振分束器(12)用于将占空比为3％的脉冲泵浦光空间上分束为第二相干光源(2)、第三相干光源(3)；
所述第一1/4波片(17)、第二1/4波片(18)用于分别改变第三相干光源(3)和第二相干光源(2)的偏振椭圆率；
所述第一1/2波片(19)、第二1/2波片(20)用于使所述闲频光(6)和所述信号光(7)经过所述第一铷‑87原子系综(9)、所述第二铷‑87原子系综(10)之后发生的相位调制转换为强度调制；
所述减法器(21)用于将输入到所述第一光电探测器(15)和所述第二光电探测器(16)的光进行强度上的相减。
2.根据权利要求1所述的量子增强的磁场梯度计，其特征在于，所述的第一相干光源(1)、第二相干光源(2)以及第三相干光源(3)均为激光器发出的相干光源；和/或，所述第一相干光源(1)与所述种子光(4)以一定角度在铷‑85原子系综(5)的中心交叉汇合；和/或，所述第一相干光源(1)与所述种子光(4)在空间上呈0.3°‑0.4°夹角。
3.根据权利要求1所述的量子增强的磁场梯度计，其特征在于，所述信号光(7)与所述闲频光(6)等角度分布在第一相干光源(1)两侧；所述信号光(7)与所述闲频光(6)自所述铷‑85原子系综(5)中心以0.6°‑0.8°的角度分开。
4.根据权利要求1所述的量子增强的磁场梯度计，其特征在于，所述信号光(7)和所述闲频光(6)之间强度关联，所述信号光(7)和所述闲频光(6)的强度同时增强或减弱，且增强或减弱的程度相同。
5.根据权利要求1所述的量子增强的磁场梯度计，其特征在于，经非线性效应‑四波混频过程产生的所述信号光(7)和所述闲频光(6)在非线性磁光旋转NMOR磁力计中作为探测光对磁场进行探测；所述磁场梯度计为磁力计中的一个组件，所述磁力计用于测量磁场强度和方向。
6.根据权利要求1所述的量子增强的磁场梯度计，其特征在于，所述量子增强的磁场梯度计利用纠缠双光束构建，用于非线性磁光旋转NMOR磁力计中。
7.根据权利要求1所述的量子增强的磁场梯度计，其特征在于，所述铷‑85原子系综(5)为纯的铷‑85原子蒸气。
8.根据权利要求1所述的量子增强的磁场梯度计，其特征在于，所述第一铷‑87原子系综(9)和第二铷‑87原子系综(10)均为铷‑87原子蒸气。
9.根据权利要求1所述的量子增强的磁场梯度计，其特征在于，所述种子光(4)与所述闲频光(6)的偏振相同，并且与所述第一相干光源(1)的偏振垂直。
10.一种磁力计，其特征在于，包含如权利要求1‑9之任一项所述量子增强的磁场梯度计。
一种量子增强的磁场梯度计、磁力计
技术领域
[0001] 本发明属于量子光学及量子精密测量领域，涉及一种量子增强的磁场梯度计、磁力计。
背景技术
[0002] 基于原子磁力计的精密测量技术由于其具备高灵敏度的特性在物理学、生物学、材料科学以及地质学等众多领域得以广泛应用。近几年，碱金属的原子磁力计发展迅猛，其灵敏度已经达到了fT/√Hz的水平。量子涨落和环境磁场噪声是限制磁强计灵敏度的两个主要来源，是限制原子磁力计性能及其进一步应用的主要因素。传统的量子磁力计可以突破标准量子极限，但是需要在良好的磁场屏蔽环境下工作。同时，传统的量子梯度计可以降低环境噪声所带来的影响，但是由于参考探针的光场和原子自旋只对量子涨落有贡献，而对磁共振信号没有贡献，反而会增加量子噪声。为了优化灵敏度，需要同时降低这两种噪声。
发明内容
[0003] 为了解决现有技术存在的不足，本发明的目的是提供了一种量子增强的磁场梯度计，在非线性磁光旋转(NMOR)磁力计中，利用纠缠双光束构建了一种量子增强型的磁场梯度计。通过四波混频(FWM)过程在热铷蒸气中产生了强度相关联的的双模压缩场，同时降低了光的散粒噪声和共模磁场噪声。
[0004] 本发明提供的量子增强的磁场梯度计利用光和原子之间的非线性效应‑四波混频过程产生了一对强度关联的孪生光束，经过强度差探测之后，在150kHz处的量子噪声降低了6dB。在非线性磁光旋转(NMOR)磁力计中，利用上述产生的纠缠双光束构建了一种量子增强型的磁场梯度计。将纠缠双光束作为磁场测量的探测光输送到两个放置在一起的原子传感器，利用它们的旋光性相减从而对磁场进行直接探测。通过同时降低光的散粒噪声和共模磁场噪声使得磁场梯度的灵敏度达到18fT/cm√Hz。结果显示了在噪声环境中利用压缩光进行磁力测量的优势。这使得量子增强型磁梯度仪进入了实际应用领域。
[0005] 实现本发明目的的具体技术方案是：
[0006] 本发明提出了一种量子增强的磁场梯度计，它包括：
[0007] 第一相干光源，其作为四波混频的泵浦光场；
[0008] 第二相干光源、第三相干光源，其分别作为磁场梯度计中的其中一个泵浦光场。其中，第二相干光源为第二铷‑87原子系综中的泵浦光场，第三相干光源为第一铷‑87原子系综中的泵浦光场；
[0009] 所述种子光为产生四波混频过程的种子光场。
[0010] 第一相干光源与种子光的偏振垂直。
[0011] 铷‑85原子系综，其作为产生四波混频过程的介质，第一相干光源与种子光以一定角度在铷‑85原子系综的中心交叉汇合；所述第一相干光源与种子光在空间上呈0.3°‑0.4°夹角；优选地，为0.35°。
[0012] 第一相干光源与种子光在空间上的夹角角度不唯一，角度的大小和第一相干光源的频率、种子光的频率以及闲置光的频率相关。在本发明中，第一相干光源和种子光目的不是发生干涉，而是在铷‑85原子系综中发生四波混频过程。四波混频过程是四个光学模式之间能量和动量的相互转化过程，所以要满足特定的相位匹配条件才可以产生，因此第一相干光源和种子光有一定的夹角。
[0013] 闲频光，其为上述种子光和第一相干光源在铷‑85原子系综中经过非线性效应‑四波混频过程所产生的光场；
[0014] 信号光，其为上述种子光在铷‑85原子系综中经过非线性效应‑四波混频过程放大之后的信号光场；
[0015] 遮光板，其作用是滤除掉四波混频过程之后多余的第一相干光源；
[0016] 两个铷‑87原子系综，其分别设置在闲频光、信号光之后，用作为磁场测量的传感器；
[0017] 第一偏振分束器，其作用是将闲频光、信号光分别经过第一铷‑87原子系综和第二铷‑87原子系综发生偏振旋转之后的光场进行强度上的空间分束；
[0018] 第一光电探测器用于对强度空间分束之后的信号光进行探测；
[0019] 第二光电探测器用于对强度空间分束之后的闲频光进行探测；
[0020] 第一声光调制器，其作用于将上述种子光的频率红失谐于第一相干光源的频率3.04GHz，所述第一相干光源频率为铷‑85原子5S1/2，F＝2→5P1/2蓝失谐1GHz。
[0021] 第二声光调制器，其作用是将上述第二、三相干光源调制为占空比为3％的脉冲泵浦光；调制前为连续光，调制后为脉冲光；
[0022] 第二偏振分束器，其作用是将占空比为3％的脉冲泵浦光空间上分束为第二、三相干光源；
[0023] 所述第一1/4波片、第二1/4波片用于分别改变第三相干光源和第二相干光源的偏振椭圆率；
[0024] 所述第一1/2波片、第二1/2波片用于使所述闲频光和所述信号光经过所述第一铷‑87原子系综、所述第二铷‑87原子系综之后发生的相位调制转换为强度调制；
[0025] 减法器，其用于将输入到所述第一光电探测器和所述第二光电探测器的光进行强度上的相减。
[0026] 所述第一相干光源与种子光交叉汇合于铷‑85原子系综中心；
[0027] 所述的第一相干光源、第二相干光源以及第三相干光源均为激光器发出的相干光源。
[0028] 所述信号光与所述闲频光等角度分布在第一相干光源两侧；所述种子光与所述闲频光自所述铷‑85原子系综中心以0.6°‑0.8°的小角度分开；优选地，为0.7°。
[0029] 所述四波混频过程，首先第一相干光源将布局在基态的铷‑85原子泵浦到激发态，紧接着原子自发辐射到基态并释放出信号光。然后第一相干光源再次将基态的铷‑85原子泵浦到虚能级上，原子随即自发辐射并释放出闲频光。如此过程重复进行，最后放大种子光为信号光，同时产生了闲频光。
[0030] 所述种子光与所述闲频光的偏振相同。
[0031] 本发明的量子增强磁场梯度计通过采用光场和铷‑85原子的非线性效应‑四波混频过程产生放大的信号光和闲频光，因信号光和闲频光之间强度关联，所述信号光和所述闲频光的强度同时增强或减弱，且增强或减弱的程度相同。将信号光和闲频光二者进行强度差探测之后，其量子噪声降低了，因此最终实现了利用量子手段降低光的散粒噪声。
[0032] 本发明的量子增强磁场梯度计经四波混频过程产生的信号光和闲频光在磁力计中作为探测光对磁场进行探测；所述磁场梯度计为磁力计中的一个组件，所述磁力计是用于测量磁场强度和方向的感应器。
[0033] 本发明在非线性磁光旋转(NMOR)磁力计中，利用纠缠双光束构建了一种量子增强型的磁场梯度计。
[0034] 本发明的量子增强磁场梯度计中所述的四波混频过程中铷‑85原子系综为纯的铷‑85原子蒸气。
[0035] 本发明的量子增强磁场梯度计中所述的原子感应器铷‑87原子系综为铷‑87原子蒸气。
[0036] 本发明还提供了一种包含本发明所述量子增强的磁场梯度计的磁力计。
[0037] 本发明的有益效果：
[0038] 随着原子磁力计的快速发展，凭借着其fT/√Hz级别的高灵敏度的显著优势，已在物理学、生物学、材料科学以及地质学等众多基于精密测量领域得以应用。量子涨落和环境磁场噪声是限制磁强计灵敏度的两个主要来源，是限制原子磁力计性能及其进一步应用的主要因素。传统的量子磁力计可以突破标准量子极限，但是需要在良好的磁场屏蔽环境下工作。同时，传统的量子梯度计可以降低环境噪声所带来的影响，但是由于参考探针的光场和原子自旋只对量子涨落有贡献，而对磁信号没有贡献，反而会增加量子噪声。
[0039] 本发明在非线性磁光旋转(NMOR)磁力计中，利用纠缠双光束构建了一种量子增强型的磁场梯度计。通过四波混频(FWM)过程在热铷蒸气中产生了强度相关联的的双模压缩场，同时降低光的散粒噪声和共模磁场噪声。本发明装置结构简单易操作，为量子增强的磁力计在地磁场和复杂噪声背景下的应用铺平了道路。
附图说明
[0040] 图1为本发明的量子增强磁场梯度计的光路结构图。
[0041] 图2为实现本发明的量子增强梯度计的铷‑85原子能级图和对应的光频图。
[0042] 图3为实现本发明的量子增强梯度计的铷‑87原子能级图和对应的光频图。
[0043] 图4为本发明包含量子增强磁场梯度计的磁力计的结构示意图。
具体实施方式
[0044] 结合以下具体实施例和附图，对发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。
[0045] 本发明提出了一种量子增强的磁场梯度计，使用钛宝石激光器或者半导体激光器等相干光源作为初始的入射光源，利用孪生光束探测的方法，将量子磁力计与磁场梯度计的优点有机的结合，同时降低了光的散粒噪声和共模磁场噪声。本发明将四波混频过程中产生的双模压缩光场注入基于非线性磁光旋转的双探针磁场梯度计中，使其双探针测量产生经典与量子关联。本发明所述的量子增强的磁场梯度计包括第一相干光源、第二相干光源、第三相干光源、种子光、铷‑85原子系综、闲频光、信号光、遮光板、第一铷‑85原子系统、第二铷‑87原子系统、第一偏振分束器、第二偏振分束器、第一声光调制器、第二声光调制器、第一光电探测器、第二光电探测器、减法器；整个发明实验装置系统简单且易操作。这种量子增强的磁场梯度计在生物医学等方向的应用拓展有着重要的意义，该发明为量子增强的磁力计在地磁场和复杂噪声背景下的应用铺平了道路。
[0046] 参阅图1，本发明包括：
[0047] 第一相干光源1，其作为产生四波混频过程的泵浦光场；
[0048] 第二相干光源2、第三相干光源3，分别作为磁场梯度计的其中一个泵浦光场；其中，第二相干光源2为第二铷‑87原子系综10中的泵浦光场，第三相干光源3为第一铷‑87原子系综9中的泵浦光场；
[0049] 种子光4作为产生四波混频过程所需的种子光场；
[0050] 铷‑85原子系综5，其作为产生四波混频过程的介质，第一相干光源1与种子光4以一定角度在铷‑85原子系综的中心交叉汇合；
[0051] 闲频光6，其为上述种子光4和第一相干光源1在铷‑85原子系综5中经过非线性效应‑四波混频过程所产生的光场；
[0052] 信号光7，其为上述种子光4在铷‑85原子系综5中经过非线性效应‑四波混频过程放大之后的信号光场；
[0053] 遮光板8，其作用是滤除掉四波混频过程之后多余的第一相干光源1；
[0054] 第一铷‑87原子系综9、第二铷‑87原子系综10，分别设置在闲频光6、信号光7之后，用作为磁场测量的传感器；
[0055] 第一偏振分束器11，其作用是将闲频光6、信号光7分别经过第一铷‑87原子系综9、第二铷‑87原子系综10后发生偏振旋转之后的光场进行强度上的空间分束；
[0056] 第一光电探测器15、第二光电探测器16，其用于分别对上述强度空间分束之后的信号光7和闲频光6进行探测；
[0057] 第一声光调制器13，其作用于将上述种子光4的频率红失谐于第一相干光源1的频率3.04GHz，所述第一相干光源1的频率为铷‑85原子5S1/2，F＝2→5P1/2蓝失谐1GHz。
[0058] 第二声光调制器14，其作用是将上述第二相干光源2、第三相干光源3调制为占空比为3％的脉冲泵浦光；
[0059] 第二偏振分束器12，其作用是将占空比为3％的脉冲泵浦光空间上分束为第二相干光源2、第三相干光源3；
[0060] 所述第一1/4波片17、第二1/4波片18，其作用为分别改变第三相干光源3、第二相干光源2的偏振椭圆率；
[0061] 所述第一1/2波片19、第二1/2波片20，其作用为使得所述闲频光6和所述信号光7经过所述第一铷‑87原子系综9、所述第二铷‑87原子系综10之后发生的相位调制转换为强度调制；
[0062] 所述减法器21用于将输入到所述第一光电探测器15和所述第二光电探测器16的光进行强度上的相减；
[0063] 所述第一相干光源1与种子光4空间上呈0.35°夹角交叉汇合于铷‑85原子系综5中心；
[0064] 所述的第一相干光源1、第二相干光源2以及第三相干光源3均为激光器发出的相干光源。
[0065] 所述种子光4与闲频光6的偏振相同，并且与第一相干光源1的偏振垂直。
[0066] 所述信号光7与闲频光6等角度分布在第一相干光源1两侧；
[0067] 所述信号光7与闲频光6自铷‑85原子系综5中心以0.7°的小角度分开；
[0068] 所述四波混频过程，首先第一相干光源1将布局在基态的铷‑85原子泵浦到激发态，紧接着原子自发辐射到基态并释放出信号光7。然后第一相干光源1再次将基态的铷‑85原子泵浦到虚能级上，原子随即自发辐射并释放出闲频光6。如此过程重复进行，最后放大种子光4为信号光7，同时产生了闲频光6。
[0069] 所述的量子增强的磁场梯度计通过采用光场和铷‑85原子的非线性效应‑四波混频过程产生放大的信号光7和闲频光6，因信号光7和闲频光6之间强度同时增强或者减弱，且增强或减弱的程度相同，最终实现了利用量子手段降低光的散粒噪声。
[0070] 所述的量子增强的磁场梯度计，经四波混频过程产生的信号光7和闲频光6在磁力计中作为探测光对磁场进行探测。
[0071] 所述的量子增强的磁场梯度计在非线性磁光旋转(NMOR)磁力计中，利用纠缠双光束构建了一种量子增强型的磁场梯度计。
[0072] 实施例
[0073] 参阅图2，显示的是实现本发明中四波混频过程的铷‑85原子能级和对应的光频图。其中5S1/2、5P1/2为铷‑85原子的精细结构，其中F＝1、F＝2为精细结构5S1/2的超精细分裂。虚线所示为虚能级。第一相干光源蓝失谐于1GHz(5S1/2，F＝2→5P1/2，F’＝3)。
[0074] 参阅图3，显示的是实现本发明中四波混频过程的铷‑87原子能级和对应的光频图。其中5S1/2、5P1/2为铷‑85原子的精细结构，其中F＝1、F＝2为精细结构5S1/2的超精细分裂。虚线所示为虚能级。信号光和闲频光红(蓝)失谐于第一相干光源2GHz、8GHz(5S1/2，F＝2→5P1/2，F＝2)。
[0075] 本发明的量子增强磁场梯度计中所述的四波混频过程中铷‑85原子系综为纯的铷‑85原子蒸气。
[0076] 本发明的量子增强的磁场梯度计中所述的原子感应器铷‑87原子系综为铷‑87原子蒸气。
[0077] 更为具体地，本发明中所产生的信号光7和闲频光6的功率在一百多个微瓦每平方毫米。
[0078] 参阅图4，本发明磁力计的结构示意图，可应用在量子增强的磁场梯度计中。
[0079] 本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。
