本发明涉及测量领域，尤其涉及一种基于量子弱测量放大的晶体温度测量的装置及方法。
背景技术：
随着科技的发展，精密测量的需求已经越来越大，从科学研究到工业生产，从军事国防到日常生活，精密测量起着不可忽视的作用。而在各个领域内均起着指标作用的物理量温度，对其的高精度测量更是亟待解决。
为实现温度的精密测量，一般利用半导体器件的电阻随温度变化来测定温度，或者利用某些物理的固有频率随温度变化来测量温度。但这些方法或多或少涉及了较为复杂的电学设备，从而限制了其的适用范畴和使用成本。
1988年，yakiraharonov，davidz.albert和levvaidman等人发表论文(phys.rev.lett.60，1351(1988))，引入了量子弱测量的概念：量子弱测量是一种基于间接测量理论提出的新的测量方式，不同于投影测量，进行弱测量时，探针与系统之间的耦合强度很小，测量本身对系统的扰动很小，从而使观察者得到的信息也相对较小。
单纯的相位放大，并没有过多的物理意义，本发明则将实在的物理量温度转化成相位，间接实现了对温度的精密测量。对于现有的测温方法，要么需要接触测量限制了使用范围，要么测量精度不够高，无法达到精密测量的要求。本发明中所提出的这种方法不仅可广泛运用于各个需要测量监控温度的地方，还给其他物理量的测量提供了一种新的思路。
技术实现要素：
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于量子弱测量放大的晶体温度测量装置及方法。通过将温度变化转变为相位变化，以相位放大的方式放大温度变化，从而实现对温度的测量，精度灵敏度均高于现有方法。此外，本发明基于基本的马赫曾得干涉仪实现，结构简单，成本低廉，可广泛用于各个领域。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种基于量子弱测量放大的晶体温度测量装置，包括：信号发生部分、温度信号转换部分、信号放大部分、提取部分和计算部分；
信号发生部分，包括激光源装置、半波片、光束偏振位移器以及半波片；激光源装置提供稳定的横向偏振的激光；半波片转至22.5°使得激光的偏振由横向变为45°偏振，即产生二能级量子态系统的初始偏振态
温度信号转换部分，包括光依次通过处于温度t的待测晶体和处于温度t0的标准晶体，二者光轴相互垂直；信号发生部分制备出光子初始态后，晶体温度信号变化转化成相位变化，光子的量子态变为
信号放大部分，包括一个置于22.5° δ/2的半波片和一个光束位移器；经过温度信号转换部分的光束通过一个置于22.5°的半波片，未归一化的光子量子态变成
提取部分，包括半波片、四分之一波片和偏振分束器，半波片和四分之一波片用来决定偏振方向，偏振分束器用来选择单一偏振方向；经过信号放大部分的量子态包含放大后的θ＜＜1的极小相位，其指针态在测量基{|l>，|r>}下进行测量，左旋测量基
计算部分，由提取部分得到放大后的极小相位计算出原相位，从而反推出晶体温度。
这种测温方式巧妙运用了弱测量放大的原理，利用最简单的光学干涉方式提取出温度导致的相位变化，在相位和温度间建立一一对应的函数关系，兼顾了简易操作与高灵敏度分辨率双重优点。
所述二能级量子态的系统为光子。
所述装置适用于任何具有双折射效应且折射率大小随温度规律变化的晶体。
所述装置对于同时具有偏振、路径、自旋任意两个自由度的物理体系均适用。
所述基于量子弱测量放大的晶体温度测量装置用于测量任意可导致相位变化远小于1弧度的极小变化的物理量。
本发明的一种基于量子弱测量放大的晶体温度测量方法，实现步骤为：
(1)激光源产生稳定的线偏振光，并结合光束偏振位移器实现初始态；
(2)利用双折射将晶体温度变化转变为相位变化，从而在步骤(1)初始态中引入一个与温度有关的相位；
(3)在步骤(2)引入相位后态，利用马赫曾德干涉仪及后选择实现极小相位的放大；
(4)在{|h>，|v>}或{|l>，|r>}下进行测量提取放大后的远小于1弧度极小相位；|h>和|v>分别表示水平和竖直两个偏振态，左旋测量基
(5)对于步骤(4)中提取到的极小相位，通过计算反推出原相位，得到待测晶体的温度。
本发明与现有技术相比的优点在于：利用现有成熟的干涉技术手段即可实现利用量子弱测量放大弱小相位的测温方法。该方案相较于传统的干涉法测相位，能够实现对温度的精密测量，且结构简单，易于实现，有广泛应用于需要高精度测量的科研，工业生产和国防军事等领域的潜质。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的一种利用量子弱测量放大弱小相位的测温方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的利用量子弱测量放大弱小相位的测温装置示意图；
图3为本发明实施例提供的制备光子初始态的装置示意图；
图4为本发明实施例提供的将温度信号转化为极小相位的装置示意图；
图5为本发明实施例提供的将极小相位放大的装置示意图；
图6为本发明实施例提供的测量提取极小信号的装置示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明实施例提供了一种利用量子弱测量放大弱小相位的测温方法。具体方法如下：激光源产生稳定的线偏振光，通过一个偏振片实现光子的初始态制备；而后依次通过待测晶体和标准晶体，将待测晶体与标准晶体的温度差转化为相位；利用半波片调整偏振态，并通过一个光束位移器和两个半波片实现偏振(指针)和路径(系统)的弱耦合；而后再用一个光束位移器合束，对路径做后选择，只保留其中一路光；再通过偏振分析仪对偏振态进行后选择，实现弱小相位测量，继而反推出待测晶体的温度。
下面结合具体实施例对本发明做详细描述。如图1所示，本发明包括如下步骤：
步骤1-1、激光源产生稳定的线偏振光，并结合光束偏振位移器实现初始态制备；
步骤1-2、利用双折射将晶体温度变化转变为相位变化，从而在上一步制备的初始态中引入一个与温度有关的相位θ；
步骤1-3、对上一步引入相位后态，利用马赫曾德干涉仪及后选择实现极小相位的放大；
步骤1-4、在测量基{|h>，|v>}或{|d>，|a>}或{|l>，|r>}下进行测量提取放大后的远小于1弧度极小相位；
步骤1-5、对于步骤(4)中提取到的极小相位，通过计算反推出原相位，得到待测晶体的温度。
如图2所示，为利用量子弱测量放大极小相位的测温装置，本发明的光路实施方式是由信号发生部分、温度信号转换部分、信号放大部分、提取部分、计算部分构成。信号发生部分由激光源101、半波片102、光束偏振位移器103和半波片102构成，半波片102、光束偏振位移器103和半波片102平行放置；温度信号转换部分由待测晶体104与标准晶体105构成，二者平行放置；信号放大部分由半波片102与光束偏振位移器103构成，二者平行放置；提取部分由四分之一波片106、半波片102、偏振分束器107、探测器108和探测器108构成，四分之一波片106、半波片102和偏振分束器107平行放置，探测器108和探测器108置于光束前进方向上进行收集。
如图3所示，激光源产生稳定的横向偏振光，而后利用置于22.5°的半波片将横向偏振转至45°，将光子态变为
如图4所示，待测晶体的温度为t，标准晶体的温度为t0，要求二者光轴垂直。经过待测晶体后的量子态为
如图5所示，携带相位信息的光束先通过一个置于(22.5 δ)°的半波片，得到未归一化的量子态为
如图6所示，利用四分之一波片、半波片和偏振分束器实现在测量基{|l>，|r>}下的测量。其中，在测量基|l>下测量时，半波片置于22.5°，四分之一波片置于0°；在测量基|r>下测量时，半波片置于-22.5°，四分之一波片置于0°。两次测量光强之差为δi＝sin(θ′)，得到放大后的相位θ′，再根据公式
总之，本发明利用量子弱测量放大弱小相位的测温方法通过温度信息和相位信息的相互转化，将温度测量问题变成相位放大问题，并利用弱测量实现极小相位放大。不仅提高了测量的精确度和灵敏度，还简化了结构、增强了可操作性；可广泛应用于各需要精密测量温度的领域内。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或者替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
1.一种基于量子弱测量放大的晶体温度测量装置，其特征在于，包括：信号发生部分、温度信号转换部分、信号放大部分、提取部分和计算部分；
信号发生部分，包括激光源装置、半波片、光束偏振位移器以及半波片；激光源装置提供稳定的横向偏振的激光；半波片转至22.5°使得激光的偏振由横向变为45°偏振，即产生二能级量子态系统的初始偏振态
温度信号转换部分，包括光依次通过处于温度t的待测晶体和处于温度t0的标准晶体，二者光轴相互垂直；信号发生部分制备出光子初始态后，晶体温度信号变化转化成相位变化，光子的量子态变为
信号放大部分，包括一个置于22.5° δ/2的半波片和一个光束位移器；经过温度信号转换部分的光束通过一个置于22.5°的半波片，未归一化的光子量子态变成
提取部分，包括半波片、四分之一波片和偏振分束器，半波片和四分之一波片用来决定偏振方向，偏振分束器用来选择单一偏振方向；经过信号放大部分的量子态包含放大后的θ＜＜1的极小相位，其指针态在测量基{|l>,|r>}下进行测量，左旋测量基
计算部分，由提取部分得到放大后的极小相位计算出原相位，从而反推出晶体温度。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述二能级量子态的系统为光子。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述装置适用于任何具有双折射效应且折射率大小随温度规律变化的晶体。
4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：所述装置对于同时具有偏振、路径、自旋任意两个自由度的物理体系均适用。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述基于量子弱测量放大的晶体温度测量装置用于测量任意导致相位变化远小于1弧度的极小变化的物理量。
6.一种如权利要求1-5任意之一所述的基于量子弱测量放大的晶体温度测量装置的测量方法，其特征在于，步骤如下：
(1)激光源产生稳定的线偏振光，并结合光束偏振位移器实现初始态；
(2)利用双折射将晶体温度变化转变为相位变化，从而在步骤(1)初始态中引入一个与温度有关的相位；
(3)在步骤(2)引入相位后态，利用马赫曾德干涉仪及后选择实现极小相位的放大；
(4)在{|h>,|v>}或{|l>,|r>}下进行测量提取放大后的远小于1弧度极小相位；|h>和|v>分别表示水平和竖直两个偏振态,左旋测量基
(5)对于步骤(4)中提取到的极小相位，通过计算反推出原相位，得到待测晶体的温度。
技术总结