[发明专利]基于调制弱值放大技术的相位分布测量装置及方法

说明书

本发明公开了一种基于调制弱值放大技术的相位分布测量装置及方法，该相位分布测量装置设置有系统前选择态单元、第一相位补偿单元、系统后选择态单元，本发明主要基于标准量子弱值放大技术，以光偏振作为量子系统自由度，采用相位补偿策略，通过设置合适的第一相位补偿单元和系统后选择态单元，可对一个波长以内的任意相位实现高精度测量，是一种新型的、无损的直接光学传感测量技术，适用于生物医学、分析化学、材料学等多个技术领域的相位高精度测量及成像分析，具有重要应用价值。

技术领域

本发明涉及量子光学技术领域，涉及一种基于调制弱值放大技术的相位分布测量装置及方法，利用相位补偿策略和弱值放大特性，可对一个波长以内的任意相位实现精确地测量，其适用于在生物医学、材料检测等领域对样品进行实时、无标记的高精度检测。

背景技术

光学相位分布测量，是通过获得可观测参数的二维分布提取出待测相位分布的信息。目前，光学相位测量是通过探测器探测到光强度的二维分布，进而根据一定函数关系提取出待测相位分布，一般选择近似的线性关系对待测相位分布进行直接成像(即获得明暗相间的灰度图像)。如今，光学相位分布测量已成为探测各类物理参数(如距离、材料折射率、时间延迟等)的有效方法，在现代科学技术的很多领域中发挥着重要作用。事实上，对相位分布达到更高的测量精度往往意味着能更深入地探知待测样品的更多信息。然而，由于噪声，目前相位分布的测量精度难以进一步提高，主要原因包括：(1)光子的散粒噪声作为一种本质存在的固有噪声，只有当采用非经典光源时才能得到一定程度的抑制；(2)测量过程中存在着各种类型的技术噪声，如光源不稳定引起的功率波动、器件的非完全对准或器件的瑕疵引起的散射光、探测器引起的电子噪声以及实验环境中存在的杂散光等。因此，如何提高相位的测量精度一直是一项既具吸引力又具挑战性的任务。

迄今为止，平衡零差探测技术是应用最为广泛的相位测量技术。然而，由于该技术测量精度极低，因此只适用于对较大相位的粗略估计。近年来一项极具前景意义的测量技术，即弱值放大测量技术已被广泛关注。由于对极其小的参数可实现惊人的放大效应，弱值放大测量技术已在各类极小物理参数测量上获得了广泛的应用。弱值放大测量技术最初由Aharonov Albert,and Vaidman(AAV)于1988年提出，是一项基于前选择-弱耦合-后选择的高精度测量技术【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)】。采用该测量技术，不仅待测参数可以实现弱值放大，并且大量的技术噪声可以得到明显抑制。最近，Hosten与Kwiat实现了光自旋霍尔效应的首次实验观测，并获得了0.1nm的测量灵敏度【O.Hosten and P.Kwiat,“Observation of the spin Hall effect of light via weak measurements,”Science319(5864),787-790(2008)】。Dixon等人通过实现弱值放大，在干涉仪内探测到一个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等人采用单色光源对相位实现了弱值放大，其测量精度可达10^-5rad【Qiu Xiaodong.et al.,“Precisionphase estimation based on weak-value amplification,”Applied PhysicsLetters.110,071105(2017)】。