一种基于量子弱测量的声检测装置及声检测方法

摘要

一种基于量子弱测量的声检测装置及方法，在马赫泽德干涉系统的参考臂和测量臂分光处之前设置有第一线性偏振片，在参考臂和测量臂的两束光耦合处之后设置有第二线性偏振片，所述第一线性偏振片与所述第二线性偏振片的偏振方向接近于正交又不完全正交以得到弱测量理论要求的有效的弱值，其中所述第一线性偏振片在所述参考臂和所述测量臂的光路上分别设置有容纳透明介质的介质池，在所述测量臂的透明介质中耦合待测量的声场，通过所述测量臂的介质中耦合的声场来改变介质的折射率，从而使得通过所述参考臂和所述测量臂的光之间产生相位差，利用频域弱测量得到待测量的声场的声压值。本发明提升了声传感器的性能，可以探测普通声传感器探测不到的低声场。

说明书

技术领域

本发明涉及光学精密检测领域，尤其涉及一种基于量子弱测量的声检测装置及声检测方法。

背景技术

量子弱测量(quantum weak measurement)的概念自1988年被Aharonov,Albertand Vaidman(Phys.Rev.Lett.60,1351(1988))提出后，作为一直被大家重视的量子测量理论吸引了众多科学家的关注。基于间接测量的理论，通过控制被测系统与测量仪器之间相互作用强度使之保持很小，在前选择(pre-selection)和后选择(post-selection)的境况下得到比本征值大很多的值，称为弱测量。被测体系在pre-selection和post-selection的境况里与指针系统发生弱耦合作用，测量之后指针内蕴含的读数即为弱值。被放大后的物理量与弱值密切相关。1991年，N.W.M.Ritchi等人第一次测得弱值(Phys.Rev.Lett.66,1107(1991))。2007年，Jozsa等人首次研究复数下的弱值(PHYSICAL REVIEW A.76,0441032007)。而后，2010年，Nicolas Bruuner等人证明了弱值实部、虚部对其放大的影响(Phys.Rev.Lett.105,010405(2010))，而且说明了频域弱测量的灵敏度高于普通干涉的方法，而时域弱测量的灵敏度则不及普通干涉。因此，在之后的研究中，大部分对于微小物理量的研究(例如位移，速度，相位等)都采取了频域弱测量的方式。而且L.J.Salazar-Serrano等人于2014年证明了弱测量的方法适用于各种与波相关的干涉系统(Opt.Lett.39,4478(2014))。马赫泽德干涉系统可以将水平和垂直的偏振光完全分开，相互不受影响，方便控制任何一个偏振态。因此，我们研究了基于马赫泽德干涉仪的弱测量系统，并用此系统做了葡萄糖浓度的测量，得到了十分可观的相位分辨率(Applied Optics,55(7):1697-1702,2016)。

很早以前人们就开始用液体或者其他透明介质中传播的声波来调制光束的相位(Proc.Indian Acad.Sci.Sec.A 2,406(1936)；J.Acoust.Soc.Am.31,1366(1959)；J.Acoust.Soc.Am.60,1079(1976)；APPLIED OPTICS.16(1977))。其中，一种实现声传感的方法就是基于液体中耦合的声波可以改变其折射率的原理(APPLIED OPTICS.16(1977))。变化的声强引起的液体折射率变化可以使光束产生相位延迟，因此，通过分析这个相位延迟就可以得到液体中的声场信息。而这种基于相位延迟测量的声传感器的关键就在于它对于相位的灵敏度。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于量子弱测量的声检测装置及声检测方法，实现一种新型的高灵敏度非干扰式的声检测。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于量子弱测量的声检测装置，包括马赫泽德干涉系统，所述马赫泽德干涉系统包括参考臂和测量臂，在所述参考臂和所述测量臂分光处之前设置有第一线性偏振片，在所述参考臂和所述测量臂的两束光耦合处之后设置有第二线性偏振片，其中所述第一线性偏振片用于前选择出系统的初态，所述第二线性偏振片用于后选择出系统的测量态，其中所述第一线性偏振片与所述第二线性偏振片的偏振方向接近于正交又不完全正交以得到弱测量理论要求的有效的弱值，其中所述第一线性偏振片在所述参考臂和所述测量臂的光路上分别设置有容纳透明介质的介质池，在所述测量臂的透明介质中耦合待测量的声场，通过所述测量臂的介质中耦合的声场来改变介质的折射率，从而使得通过所述参考臂和所述测量臂的光之间产生相位差，利用频域弱测量得到待测量的声场的声压值。

进一步地：

所述频域弱测量中，经过所述第二线性偏振片的投影测量后放大所述弱值，使得出射光谱的中心频率产生移动，所述相位差也随声场周期性变化产生周期性振荡，经过弱值放大的过程后测到的出射光谱的中心波长也产生周期性振荡，提取出波长振动的振幅来分析声场的振幅，从而获得声压值。

所述第一线性偏振片的偏振方向与竖直方向的夹角为α，所述第二线性偏振片与所述第一线性偏振片的偏振方向的夹角为π/2+β，在所述测量臂中的偏振光由耦合的声场调制透明介质的折射率Δn，从而使得两臂产生相位差其中λ为入射光的中心频率，l为声光相互作用的长度；声波为正弦信号，

利用频域弱测量，所述相位差经过弱值放大之后体现在出射光谱的中心波长的移动其中δλ为中心波长的移动，λ₀为入射光的波长，Δλ为入射光的带宽，Im>w代表弱值的虚部，γ＝cosαsin(α+β)/sinαcos(α+β)，x为系统初始相位差；

透明介质中的折射率随声压变化的公式为其中P为透明介质中的声压，为透明介质的声光系数，透明介质优选为水，声光系数1.35·10^-10Pa^-1；

根据以上关系式得到声压P的大小。

所述参考臂和所述测量臂通过第一偏振分光棱镜分光，并通过第二偏振分光棱镜将所分的两束光耦合。

所述第一偏振分光棱镜将入射光分成两路偏振光，两路偏振光分别经过所述参考臂和所述测量臂中的反射镜反射后由所述第二偏振分光棱镜耦合成一束光。

通过所述测量臂的透明介质的光的传播方向与声波的方向相互垂直。

所述透明介质为水。

一种声检测方法，使用所述的基于量子弱测量的声检测装置，通过所述第一线性偏振片前选择出系统的初态，通过所述第二线性偏振片后选择出系统的测量态，其中所述第一线性偏振片与所述第二线性偏振片的偏振方向接近于正交又不完全正交以得到弱测量理论要求的有效的弱值，在所述测量臂的所述透明介质中耦合待测量的声场，通过所述测量臂的介质中耦合的声场来改变介质的折射率，从而使得通过所述参考臂和所述测量臂的光之间产生相位差，利用频域弱测量得到待测量的声场的声压值。

所述频域弱测量中，经过所述第二线性偏振片的投影测量后放大所述弱值，使得出射光谱的中心频率产生移动，所述相位差也随声场周期性变化产生周期性振荡，经过弱值放大的过程后测到的出射光谱的中心波长也产生周期性振荡，提取出波长振动的振幅来分析声场的振幅，从而获得声压值。

所述第一线性偏振片的偏振方向与竖直方向的夹角为α，所述第二线性偏振片与所述第一线性偏振片的偏振方向的夹角为π/2+β，在所述测量臂中的偏振光由耦合的声场调制透明介质的折射率Δn，从而使得两臂产生相位差其中λ为入射光的中心频率，l为声光相互作用的长度；声波为正弦信号，

利用频域弱测量，所述相位差经过弱值放大之后体现在出射光谱的中心波长的移动其中δλ为中心波长的移动，λ₀为入射光的波长，Δλ为入射光的带宽，ImΑ_w代表弱值的虚部，γ＝cosαsin(α+β)/sinαcos(α+β)，x为系统初始相位差；

透明介质中的折射率随声压变化的公式为其中P为透明介质中的声压，为透明介质的声光系数，透明介质优选为水，声光系数1.35·10^-10Pa^-1；

根据以上关系式得到声压P的大小。

本发明的有益效果：

本发明基于量子弱测量实现了新型的高灵敏度非干扰式的声检测。具体来说，本发明结合弱测量对光的相位延迟极度灵敏的特点，提升了声传感器的性能，可以探测普通声传感器探测不到的低声场。而且，较于传统的压电式的声传感器，本发明中的非干扰式的声检测方式更具普适性。

优选的方案中，基于用弱测量测相位延迟的方式来实现声传感，以水为传播介质，测水中耦合的声压大，其显著优点在于，弱测量的高精度相位测量的特点可以使得该声传感器具有较高声灵敏度。进一步地，在本发明的测量系统中，检测光的传播方向与声波的方向相互垂直，因此不会对于声波本身产生任何影响，避免了传统声传感器对声波的干扰的弊端。

附图说明

图1是本发明实施例的基于量子弱测量的声检测装置的结构示意图。

图2(a)和图2(b)是本发明原理中声压最终反映形式——出射光谱的中心频率变化现象图，其中图2(a)表示经过后选择偏振片的投影测量后弱值进行放大，使得出射光谱的中心频率产生移动；图2(a)表示由于声场周期性变化，经过弱值放大的过程后测到的出射光谱的中心波长也产生周期性振荡。

图3是用本发明实施例测得的中心波长移动随着声压变化的图。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

参阅图1，在一种实施例中，一种基于量子弱测量的声检测装置，包括马赫泽德干涉系统，所述马赫泽德干涉系统包括参考臂和测量臂，在所述参考臂和所述测量臂分光处之前设置有第一线性偏振片3，在所述参考臂和所述测量臂的两束光耦合处之后设置有第二线性偏振片11，其中所述第一线性偏振片3用于前选择出系统的初态，所述第二线性偏振片11用于后选择出系统的测量态，其中所述第一线性偏振片3与所述第二线性偏振片11的偏振方向接近于正交又不完全正交以得到弱测量理论要求的有效的弱值，其中所述第一线性偏振片3在所述参考臂和所述测量臂的光路上分别设置有容纳透明介质的介质池5、8，在所述测量臂的介质池8的透明介质中耦合由信号发生器10产生的待测量的声场，通过所述测量臂的介质中耦合的声场来改变介质的折射率，从而使得通过所述参考臂和所述测量臂的光之间产生相位差，利用频域弱测量得到待测量的声场的声压值。

根据实际检测的需要，第一线性偏振片3与第二线性偏振片11的偏振方向夹角可以是在85-90度之间。当两个偏振片的偏振方向越趋于正交，测量时放大的倍数就越大，但完全正交的时候就脱离了“弱测量”的定义。

基于改进的马赫泽德干涉仪可以将两个偏振的光完全分开进行独立操控的优势，本发明利用声场对参考光路的相位进行延迟，用弱测量的方式来实现相位测量，从而得到声压值。

在优选的实施例中，所述参考臂和所述测量臂通过第一偏振分光棱镜4分光，并通过第二偏振分光棱镜9将所分的两束光耦合。所述第一偏振分光棱镜4将入射光分成两路偏振光V、H，两路偏振光V、H分别经过所述参考臂和所述测量臂中的反射镜6、7反射后由所述第二偏振分光棱镜9耦合成一束光。

在优选的实施例中，通过所述测量臂的透明介质的光的传播方向与声波的方向相互垂直。

在优选的实施例中，所述透明介质为水。

所述光源可以为SLD(超辐射发光二极管)光源1。

如图1所示，马赫泽德干涉系统的两臂中，一个为参考臂，一个为测量臂。与传统的马赫泽德干涉系统不同，本发明中添加了两个线性偏振片3、11。一个偏振片3在分光之前，用于前选择出系统的初态。另一个偏振片11用于两束光耦合之后，用于后选择出测量态。前选择偏振片与后选择偏振片的偏振方向接近于垂直，使前选择态(pre-selection)和后选择态(post-selection)接近于正交而又不完全正交，以得到有效的弱值。在测量臂中的传播介质(如水)中耦合声场来改变其折射率，从而使得两臂间产生相位差。在频域弱测量中，经过后选择偏振片的投影测量后弱值进行放大，使得出射光谱的中心频率产生移动，如图2(a)。由于声场周期性变化，这个相位差也随之周期振动，经过弱值放大的过程后测到的出射光谱的中心波长也产生周期性振荡，如图2(b)。提取出波长振动的振幅来分析声场的振幅，也就是声压的大小，如图3所示。

在弱测量思想中，被测系统与测量仪器产生弱耦合，使得测量后它的本征态之间有很小的相位移动，而不至于像强测量一样塌缩到其中一个本征态。通过后选择一个与初始态接近正交的态来进行投影测量，可以使得区分系统本征态的微小物理量(如相位)进行弱值放大而被测得。本发明实施例中，利用弱测量对于微小相位的敏感性，利用基于马赫泽德干涉仪的弱测量系统，来对在检测光通过的透明介质(如水)中耦合的声场进行横向测量。声场可以使透明介质产生一个折射率分布，这个折射率大小是与声场振幅密切相关的。基于改进的马赫泽德干涉仪系统，利用声场改变光通过的介质处的折射率来改变检测光路与参考光路的相位差。这个相位差通过弱值放大的方式被检测，从而得到声场信息。在这种测量方式中，一方面由于弱测量对微小相位极度敏感而可以测量低声压，另一方面由于检测光路的传播方向与声波是相互垂直的，因此这样的横向的非干扰式测量不会对于声场本身带来任何影响，从而本发明可以方便而广泛地应用在声研究领域中。

如图1所示，从SLD光源1发出的中心频率为840nm的光经过高斯滤光片2成为高斯光作为指针态，然后用一个线偏振片3进行前选择，这个偏振片的偏振方向与竖直方向的夹角为α。偏振分光棱镜4(polarized beam splitter(PBS))将入射光分成水平和垂直偏振的两个分量，两路偏振光经过反射镜反射后由偏振分光棱镜9耦合成一束光。在光束被耦合进光谱仪12之前由线偏振片11进行后选择，线偏振片11和线偏振片3的偏振方向接近于垂直，其夹角为π/2+β。在两臂中安装两个一样的介质池，装满水。V偏振光的那一臂耦合一个声场调制水的折射率Δn，从而使得两臂产生相位差其中λ为入射光的中心频率，l为声光相互作用的长度。耦合进水中的声场由一个喇叭产生：用一个函数信号发生器产生一个正弦信号，然后经过一个放大电路后进入喇叭产生声波，通过调节放大电路的驱动电压可以调节声波的振幅。利用频域弱测量的方法，这个相位差经过弱值放大之后体现在出射光谱的中心波长的移动其中δλ为中心波长的移动，λ₀为入射光的波长，Δλ为入射光的带宽，Im>w代表弱值的虚部(弱值按照量子弱测量的理论由前选择和后选择偏振态以及演化算符算出)，γ＝cosαsin(α+β)/sinαcos(α+β)，x为系统初始相位差。水中的折射率随声压变化的公式为其中P为水中的声压，为水的声光系数，1.35·10^-10Pa^-1。因此，通过测得出射光的中心波长的移动，利用水中折射率与声压的关系就可以得到水中声压的大小。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。