智能传感器技术 课件 第十章 量子传感器

《智能传感器技术》教材配套课件国防科技大学量子磁力仪：利用微观世界中与磁场有关的现象来测量磁场的仪器，这些现象通常可用量子理论来解释。量子磁力仪分类：超导量子干涉磁力仪、核子旋进磁力仪、光泵原子磁力仪、新型原子磁力仪(SERF\NROM\NV)。量子：描述物理世界的最小准粒子激发单元，例如电子、光子、声子、夸克….量子传感概述►自旋量子传感器10.1超导量子磁传感器-SQUID10.2WR-M001-01鲲量科技原子磁力仪10.1.1自旋量子陀螺仪10.1.21957年，美国的Bell和Bloom首次研制出光泵磁力仪，目前广泛应用于磁异常探测中；2010年，美国的Romalis研究组研制的SERF磁强计实现了0.16fT/√Hz的灵敏度。原子磁力仪的发展历程1OpticalPumpingPrecessionOpticalProbing量子磁力仪基本原理—3P2F=31）自旋极化—碱金属能级结构Rb原子5sF=1F=2F=1F=2F=2F=1F=052P3/252P1/252S1/25P780nm795nm磁矩与外磁场相互作用产生附加能量在外加磁场B的情况下，总磁矩将与外磁场相互作用，使原子产生附加能量：其中，称为波尔磁子；M=-F，，，，，F，共有2F+1个值相邻的子能级的能量差为磁场使得原有能级分裂成2F+1个能级，每个能级分裂的能量差是一致的。1）自旋极化—碱金属能级结构（赛曼效应）玻尔兹曼分布（原子态热平衡分布）热平衡状态下，处于某一个能级Ei的粒子数密度Ni，即单位体积内的粒子数为其中T为热平衡时的绝对温度，Ni为处于Ei能级的原子数，gi为Ei的简并度，k玻尔兹曼常数；

E2E1两个能级间的粒子数密度之比为1）自旋极化—光泵极化历史：1950年，法国物理学家凯斯特勒Kastler发现了光抽运技术；1966年诺贝尔物理学奖。概念：用光学方法实现原子分子能级粒子数的选择性布居，其粒子数分布不同于热平衡状态的粒子数分布。光泵效应意义：增加或者减少特定能级的粒子数；利用偏振泵浦光增加或者清除特定磁子能级上的分布；相干激发多个原子分子态，在这些能态上产生特定的相位关系。

EF’1）自旋极化—光泵极化实现了原子的自旋极化自旋碰撞光辐射光抽运光辐射自旋弛豫

Cs原子的左旋光泵浦过程1）自旋极化—光泵极化光极化态光泵目的：1）自旋极化—光泵极化原子磁矩在磁场中的力矩：拉莫尔频率γ是旋磁比。【核心问题】如何稳定进动如何测量拉莫尔信号Larmor进动：HM2）拉莫尔进动圆偏振光Pump线偏振光检测测量光偏振态(原理Faraday旋转)检测和激发用同一束光测量光吸收强度①单光束探测（光吸收法）②双光束探测（光旋转法）简单抑制光强噪声3）自旋极化检测在极化光作用下，原子被极化达到平衡后，原子不再吸收光，光强不再发生变化；此时再加上一个射频场，扫描其频率，使它与磁子能级发生射频共振，基态原子将回到热平衡态，重新打破原子的布局分布，从而可以吸收更多光。a）Mz原子磁力仪

b）Mx原子磁力仪磁共振磁力仪3基于光调制的原子磁力仪的思想最初于1961年由W.E.Bell与A.L.Bloom提出，因此此类原子磁力仪又称为Bell-Bloom原子磁力仪，它不主动施加激励磁场，而是通过对光的幅度、相位或偏振进行调制来达到等效于磁激励的效果，是一种全光学原子磁力仪。光调制磁力仪4基于光调制的原子磁力仪的单光束探测原理简图当自旋交换速率远大于原子拉莫尔进动频率时，由自旋交换碰撞造成的非相干可以被抑制。在高碱金属原子蒸汽浓度和低磁场条件下，即快速自旋交换状态，所有原子组成的整体系统多次发生能态转换，单个原子在碰撞前后仅进动微小角度。条件：高温、原子密度高、强光、小磁场SERF态磁力仪5非线性旋光特性1974年，W.Gawlik等人发现了非线性磁光效应。当较强的线偏振光通过碱金属原子介质时，线偏振光看做左右圆偏振光，非线性磁光旋转认为两种光在介质中折射率不同，导致线偏振面发生偏转，使得光旋转信号对磁场的响应线宽极窄，与碱金属原子的横向弛豫率同一量级。Features:Room-temperaturealkalivaporAnti-relaxationcoatedcellPotentialsub-fTsensitivity(100fT-routine)Broaddynamicrange(EarthField)NonlinearMagneto-OpticalRotationNMOR磁力仪6原子的电子自旋和核自旋在磁场和惯性系统中的运动：基于原子自旋的磁场测量机理和原子自旋的转动测量理论可以发展出自旋量子陀螺仪等惯性仪器。这类陀螺仪的测量核心是系统极高的磁场测量机理，其最大特点通常有磁场参加。Pe为电子自旋，Pn为核自旋，Ω为惯性参数，B为外磁场、L为角动量，γ分别为电子和原子核的旋磁比，M为电子磁矩和原子核磁矩，λ为耦合参数。自旋量子陀螺仪原理1核磁共振陀螺仪SERF原子自旋陀螺仪的理论灵敏度SERF原子陀螺仪自旋原子陀螺仪种类2可实现磁场、惯性、温度、压力等多种物理量测量！原子密度的增强，使微型化成为可能金刚石NV3自旋量子传感器10.1超导量子磁传感器-SQUID10.2超导量子传感器工作原理10.2.1超导量子磁力仪10.2.2极低温度下，Hg电阻消失的现象荷兰物理学家昂内斯(OnnesHK)1908年液氦1911年发现1913年诺贝尔奖超导现象11962年，剑桥大学22岁的研究生约瑟夫森（JosephsonBD）写了一篇论文，发表在《PhysicsLetters》杂志上（约瑟夫森1964年得到博士学位）“超导隧道可能存在的一些新的效应（Possibleneweffectsinsuperconductivetunneling）”。他根据超导BCS电子对理论预言，如果超导体被薄层（几个纳米厚）绝缘体分隔，超（导）电流可以穿过薄层绝缘体（隧道势垒）。约瑟夫森(JosephsonBD)1973年诺贝尔奖约瑟夫森2在零电压下，有直流超流产生，且超流存在最大值；超流最大值对磁场非常敏感，磁场加大，电流将迅速减小；在恒定电压下，既有直流电流产生，也有交流超导电流，其频率为2eV/h；如果在直流电压上再叠加一交流电压，其频率为v，则会出现一零斜率的电阻区，在这个区域内电流有傅里叶成分，电压V与频率v的关系满足2eV/h＝nν（其中n为整数）。预言如下效应绝缘体SCSC~nm约瑟夫森结3Mercereau采用两个对称Josephson结用超导通路并联起来的构型，在加外磁场中总电流行为展现出相干效应的现象。夫朗和费单缝衍射双缝干涉现象超导量子干射（SQUID）4无测量电流(I=0)

有测量电流(I)

外磁场垂直于环路平面，由于垂直磁场的结区面积比超导环小得多，可省去透过结区的磁通，将超导环所包围的磁通表示为：i1i2abdcI

超导量子干射（SQUID）4取一个回路，从a→b→c→d→a，总相位变化为:

由于a与c以及b和d之间由超导连接，两个结的相位差并不独立

超导量子干射（SQUID）4i1i2abdcI

超导量子干射（SQUID）4

SQUID是一种新型高灵敏磁力仪，它是利用约瑟夫森结（JosePhson）的量子干涉效应(SuperconductingQUantumInterferenceDevice,SQUID)来测量外磁场的高灵敏测量装置。类型丰富：磁通、磁场、梯度等特点极高灵敏度：fT测量范围宽：kT频带宽：kHzSQUID磁力仪1实际使用时，检测临界电流是非常困难的，通常通过施加一个大于最大临界电流的偏置电流，根据V-I关系，可以得到电压-磁通关系曲线，相位正好与电流相反。δVDCSQUID工作原理2反馈电压读取积分电路输出线性化响应；增大响应量程达到多个磁通量；可以响应一个磁通量内的微小变化。DCSQUID磁通调制和反馈回路3当SQUID中的通量为nΦ0，所得电压为“整流”正弦波，当该电压连接到参考频率fm的锁定检测器时，输出为零。DCSQUID磁通调制下的输出电压及反馈补偿输出电压VLDCSQUID磁通调制和反馈回路3当通量为（n+1/4）