基于激光充能的量子传感前端、检测系统及检测方法与流程

1.本发明涉及量子精密测量技术领域，具体涉及到一种基于激光充能的量子传感前端、检测系统及检测方法。


背景技术：

2.固态自旋色心体系是实现量子精密测量的重要物理体系，以该体系中的金刚石nv色心为例，其在激光的泵浦下表现出较强的荧光，且该荧光强度与外界物理量规律性相关，因而可作为一种新型的传感核心，用于磁场、电场、温度等物理量的测量，固态自旋色心体系除了金刚石nv色心，还有硅空位色心、硼空位色心等。
3.现有技术中，基于固态自旋色心构建的传感前端还比较少，一般在结构上主要包含传感探头、微波天线以及光电探测器，用于产生反馈荧光以及荧光收集，功能较为单一，另外，对于传感前端的用电器件的供电一般从后端通过输电线路传送，前后端之间除了供电线路还有光传输线路，导致前后端之间连接线路过多且杂。
4.基于此，本发明设计了一种基于激光充能的量子传感前端、检测系统及检测方法，以解决上述问题。


技术实现要素：

5.本发明提出了一种基于激光充能的量子传感前端、检测系统及检测方法，此方案提出了自带光电池单元的传感前端，其能够利用激光充能实现对传感前端或前端附近用电器件的供电，另外，本方案还设计了一种应用了此量子传感前端的检测系统，其利用色心测量系统原有的光传输线路实现激光充能过程，简化了连接线路。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于激光充能的量子传感前端，包含：光信号单元，用于获取及传输激光信号；固态自旋量子探头，用于感知外界环境因素并在激光信号的激励下产生反馈荧光；光电池单元，用于将激光信号转化为前端电能并为量子传感前端内的用电器件供电。
7.进一步的，固态自旋量子探头的传感核心为金刚石nv色心。
8.进一步的，还包含微波单元，所述微波单元用于输出作用于固态自旋量子探头的激励微波。
9.进一步的，还包含光电探测单元，所述光电探测单元用于采集反馈荧光并形成电信号输出。
10.进一步的，所述光电探测单元还包含锁相处理单元。
11.进一步的，还包含处理器，所述处理器用于对光电探测单元输出的电信号进行计算分析以得到待测量，并将该待测量以电信号形式输出。
12.一种检测系统，其特征在于，包含如前所述的量子传感前端、后端以及连接于二者之间的传输线路，所述后端包含：激光单元，用于输出激光信号；总机，用于数据的处理分析。
13.进一步的，所述激光单元输出的激光信号分为波长不同的两种激光，其中一种作为激励固态自旋量子探头的激励激光，另一种作为光电池单元转化电能的供能激光。
14.进一步的，所述激光单元输出的激光信号为一种波长的激光，该激光的一部分用于激励固态自旋量子探头，另一部分通过光电池单元转化为电能。
15.进一步的，所述传输线路包含一光纤，在量子传感前端与后端二者之间传输的光信号均通过此光纤进行传输。
16.一种检测方法，包含以下步骤：s1、在检测端获取激光信号；s2、在检测端利用固态自旋量子探头感知待测量，并利用一部分激光信号激励固态自旋量子探头以获取反馈荧光，同时将另一部分激光信号转化为电能为检测端的用电器件供电；s3、在处理端接收反馈荧光并计算处理得到待测量。
17.另一种检测方法中，在检测端将反馈荧光采集并转化为电信号后输出，再在处理端接收该电信号并进行计算处理得到待测量。
18.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本方案设计了一种含光电池单元的传感前端，其能够将传感单元获取的激光信号部分转化为电能，从而为前端或前端附近的用电器件供电，该设计使得量子传感前端的功能得以丰富，且激光充能及激光激励过程均通过光线路实现，即在前后端之间无需供电线路，简化了前后端的线路设计，且扩展了量子传感前端的使用范围。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述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的附图。
20.图1为本发明实施例中量子传感前端的系统框图；图2为本发明实施例中量子传感前端的一结构示意图；图3为本发明实施例中量子传感前端的又一结构示意图；图4为本发明实施例中检测系统的系统框图；图5为本发明实施例中检测系统的一系统图；图6为本发明实施例中传输线路的一组成示意图；图7为本发明实施例中传输线路的另一组成示意图；图8为本发明实施例中检测系统的又一系统图；图9为本发明实施例中传输线路的又一组成示意图；图10为本发明实施例中检测方法的流程图。
具体实施方式
21.下面将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一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
22.实施例一
23.本发明提供一种技术方案：一种基于光纤通信技术的量子传感前端，如附图1所示（图中虚线框内部分表示可有可无，本例无微波单元和光电探测单元），其包含：光信号单元，用于获取及传输激光信号，示例性的，一种具体的方式中，光信号单元包含一多头光纤接头，其能够将多个激光接入或接出；固态自旋量子探头，用于感知外界环境因素并在激光信号的激励下产生反馈荧光，示例性的，在一些可实现的方案中，固态自旋量子探头的传感核心为金刚石nv色心，激励激光为532nm绿色激光，在外界物理量诸如磁场、温度、电场、压力等作用下，金刚石nv色心在532nm绿色激光照射下会产生637nm的红色荧光，其光强与外界物理量规律性相关，因而通过监控红色荧光的光强变换可以检测外界环境；光电池单元，用于将激光信号转化为电能存储使用，示例性的，一种具体的方式中，光电池单元至少由光电池以及dc-dc变换器组成。
24.作为本实施例中的一种优选结构，光电池单元包含光伏取电模块，光伏取电模块用于将日光能转化为电能，其增加了其他储能方式，储能更多样。
25.针对前述描述，具体的，此处提出一种集成化的量子传感前端的结构设计，具体参见附图2，其包含光信号单元、光电池单元12以及固态自旋量子探头13，其中光信号单元和光电池单元12安装在一基板14的表面，基板14表面还设有一光纤接头141，固态自旋量子探头13为一金刚石nv色心颗粒，其设置在一传感光纤131的一侧端面，传感光纤131的另一端连接光纤接头141，光信号单元为一多头光纤接头111（作为另外的一些可能，还可以使用一些光学器件，实现对空间激光的获取以及传输），其输入接口用于接入外部激光信号，输出接口则分别连接光纤接头141和光电池单元，使用时，激光信号一部分通过光电池单元12转化为电能存储以为周侧用电器件供电，另一部分激光信号经光纤接头141耦合进入传感光纤131，最终激励金刚石nv色心颗粒产生红色的反射荧光，反射荧光沿光路原路返回，通过多头光纤接头111输出至后端设备。
26.作为本实施例中的一种激光设计，激光信号分为波长不同的激励激光以及充能激光，激励激光用于对固态自旋量子探头进行自旋激励，充能激光用于转化电能。
27.作为本实施例中的另一种激光设计，激光信号仅含一种激光，该激光的一部分用于激励固态自旋量子探头，另一部分通过光电池单元转化为电能。
28.在另外一些实施例中，如附图1所示，在量子传感前端，还设计有微波单元或光电探测单元或二者均有，微波单元用于激励微波，工作时，激励微波与激光信号共同激励固态自旋量子探头，光电探测单元用于获取反馈荧光并将其转化为远端电信号输出，光电池单元为微波单元供电或为微波单元供电或为二者供电；基于前述，本例此处提供一种量子传感前端的具体结构设计，此量子传感前端同时含有微波单元和光电探测单元，具体的，参见附图3，其包含光信号单元、光电池单元12、固态自旋量子探头13、微波单元15以及光电探测
单元16（其也可是环形器等能够区分传输反馈荧光和激光信号的器件），其中光信号单元、光电池单元12、微波单元15以及光电探测单元16安装在一基板14的表面，基板14表面还设有一光纤接头141和一微波线接头142，固态自旋量子探头13为一金刚石nv色心颗粒和微波天线132（或微带天线），金刚石nv色心颗粒设置在一传感光纤131的一侧端面，传感光纤131的另一端连接光纤接头141，微波天线132通过微波传输线151与微波线接头142一头连接，微波单元15的输出线连接微波线接头142的另一头，其中，光信号单元含一多头光纤接头111和双色片112，外部激光信号通过多头光纤接头111进入，一部分激光信号通过光电池单元12转化为电能使用，另一部分激光信号通过双色片112反射并耦合进入传感光纤131，并激励金刚石nv色心颗粒产生红色的反射荧光，反射荧光沿光路原路返回并穿过双色片112照射光电探测单元16（可选为雪崩二极管），光电探测单元16将反射荧光采集转化为电信号传输，对应的，基板14上还设有电信号传输接头18，其与光电探测单元16连接。
29.当量子传感前端具备光电探测单元时，还可以做更多设计，示例性的，光电探测单元为一光电二极管，其将反馈荧光转化为电信号后直接输出；考虑到光电二极管直接输出的电信号噪声较大，作为一种改进设计，在光电探测单元还包含锁相处理单元，其能够对电信号进行锁相放大调制，以降低数据噪声，经过锁相处理的电信号再从量子传感前端输出；在另外一些设计中，还可以在量子传感前端设计包含处理器（内含数据解算程序），处理器用于对光电探测单元输出的电信号（也包含通过锁相处理后的电信号）进行计算分析以得到待测量，并将该待测量以电信号形式从量子传感前端输出。
30.实施例二
31.参见附图4，本例提出了一种检测系统，其应用了如前述实施例中的量子传感前端，还包含后端和传输线路，传输线路用于后端与量子传感前端之间的信号传输，后端包含激光单元和总机，激光单元用于输出激光信号，激光信号通过传输线路传输至量子传感前端，总机用于数据的处理分析。
32.另外，基于前述实施例中提及的各类量子传感前端，检测系统的后端会做适应性设计，具体的解释是，当前端无微波单元时，可以在后端设计微波单元；当前端直接输出反馈荧光时，后端应设计光电探测单元。
33.可以预知的是，本检测系统可以是磁场、电场、温度等因素进行传感。
34.基于前述，本例此处提供一种检测系统的具体设计，此检测系统的后端同时含有光电探测单元，前端含有微波单元，在本设计中，激光信号分为波长不同的激励激光以及充能激光，具体的，参见附图5，检测系统包含量子传感前端1、后端2以及传输线路3，其中，量子传感前端1包含光信号单元11、光电池单元12、固态自旋量子探头13以及微波单元15，光信号单元11包含多头光纤接头111以及双色片112（也可是环形器等），光电池单元12含光电池以及dc-dc变换器，固态自旋量子探头13包含金刚石nv色心以及微波天线（或微带天线等微波释放器件），微波单元15含微波源、微波放大器以及微波开关，微波单元15通过微波传输线与微波天线连接，光电池单元12为微波单元供电；后端2包含光电探测单元16、总机21以及激光单元22，其中，光电探测单元16为光电二极管（优选雪崩二极管），其与总机21电性连接；由于此例中激光信号为两种波长不同的激光，因而激光单元22包含激励激光器221（532nm激光器）和供能激光器222（中心波长为800—1100nm）这两种激光器。
35.具体工作时，后端2输出的激光信号通过传输线路3传输至多头光纤接头111，其中，充能激光通过光电池单元12转化为电能并为微波单元15供电，微波单元15输出微波激励金刚石nv色心，532nm的激励激光穿过双色片113后进入激励光路，并刺激金刚石nv色心以产生红色荧光，红色荧光沿着原光路返回并经双色片113反射后进入传输线路3传输返回至后端，并被光电二极管采集转化为电信号，总机21分析电信号得到检测结果。
36.基于前述检测系统的具体设计，本例此处还提供两种传输线路3的结构设计，具体如下：第一种：参见附图6，传输线路包含输出光纤和输入光纤，输出光纤的一侧连接有合波器，另一侧连接有分波器，激光单元发出的激励激光以及充能激光先通过合波器合束后进入输出光纤进行传输并在分波器处重新分开，输入光纤用于在光电探测单元和量子传感前端之间传输反馈荧光。
37.第二种：参见附图7，激光信号分为波长不同的激励激光以及充能激光，光路单元为混合传输光纤，混合传输光纤的两侧分别连接有近端环形器和远端环形器，近端环形器的第一端口连接有合波器，远端环形器的第二端口连接有分波器，激光单元发出的激励激光以及充能激光先通过合波器合束后先从近端环形器的第一端口进入再从其第二端口输出至混合传输光纤，经过混合传输光纤传输的激励激光以及充能激光从远端环形器的第一端口进入再从其第二端口输出至分波器后分开，量子传感前端输出的反馈荧光先从远端环形器的第三端口进入再从其第一端口输出至混合传输光纤，经过混合传输光纤传输的反馈荧光从近端环形器的第二端口进入再从其第三端口输出至光电探测单元。
38.另外，本例此处提供另一种检测系统的具体设计，此检测系统的后端同时含有光电探测单元，前端含有微波单元，在本设计中，激光信号为一种波长激光，即激励激光和充能激光为同一种，具体的，参见附图8，由于此系统设计与前述附图5所示的系统设计仅在激光单元22和传输线路3处存在不同，因而不对其他结构作具体描述；具体的，本设计中激光单元22仅仅含有一个532nm的激励激光器221；另外，参见附图9，本设计中传输线路含一光纤，光纤的两侧分别连接有近端环形器和远端环形器，激光单元产生的激光信号从近端环形器的第一端口输入并从其第二端口输出至光纤，激光信号通过光纤传输后从远端环形器的第一端口输入并从其第二端口输出至分束器，激光信号经分束器分为两路后输出（分束器的分束占比不仅仅为5:5，还可以是其他占比，如充能激光和激励激光占比为7:3或6:4），量子传感前端输出的反馈荧光从从远端环形器的第三端口输入并从其第一端口输出至光纤，反馈荧光通过光纤传输后从近端环形器的第二端口输入并从其第三端口输出至光电探测单元。
39.实施例三
40.参见附图10，本实施例提供一种检测方法，包含以下步骤：s1、在检测端获取激光信号，示例性的，一种具体的方式为，利用多头光纤接头接入外界光纤线路传入的激光信号，并分为两束光路输出至对应功能模块，其中激光信号可以为同一种激光也可以为两种波长不同的激光；作为另外的一些可能，还可以使用一些光学器件，实现对空间激光的获取以及传输；s2、在检测端利用固态自旋量子探头感知待测量，并利用一部分激光信号激励固态自旋量子探头以获取反馈荧光，同时将另一部分激光信号转化为电能为检测端的用电器
件供电，示例性的，一种具体的方式为，固态自旋量子探头的传感核心为金刚石nv色心，激光信号分为532nm激光和850nm激光，利用532nm激光对金刚石nv色心进行自旋激励，或利用532nm激光及微波共同对对金刚石nv色心进行自旋激励，在此激励下，固态自旋量子探头产生637nm的红色荧光以反馈，还利用光电池转化将850nm激光为电能，为周侧的微波源或光电探测器等用电器件供电，电能使用前还应利用dc-dc变换器进行调节；s3、在处理端接收反馈荧光并计算处理得到待测量。
41.在另外一种检测方法中，步骤s1以及步骤s2保持不变，但在步骤s3中，在检测端将反馈荧光采集并转化为电信号后输出，再在处理端接收该电信号并进行计算处理得到待测量。
42.一般而言，除非在权利要求中另外提供，否则可以以任意次序执行所公开的处理操作。
43.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
44.以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

技术特征：
1.一种基于激光充能的量子传感前端，其特征在于，包含：光信号单元，用于获取激光信号；固态自旋量子探头，用于感知外界环境因素并在激光信号的激励下产生反馈荧光；光电池单元，用于将激光信号转化为前端电能并为量子传感前端内的用电器件供电。2.根据权利要求1所述的基于激光充能的量子传感前端，其特征在于，所述固态自旋量子探头的传感核心为金刚石nv色心。3.根据权利要求1所述的基于激光充能的量子传感前端，其特征在于，还包含微波单元，所述微波单元用于输出作用于固态自旋量子探头的激励微波。4.根据权利要求1所述的基于激光充能的量子传感前端，其特征在于，还包含光电探测单元，所述光电探测单元用于采集反馈荧光并形成电信号输出。5.根据权利要求4所述的一种量子传感前端，其特征在于，所述光电探测单元还包含锁相处理单元。6.根据权利要求4或5所述的一种量子传感前端，其特征在于，还包含处理器，所述处理器用于对光电探测单元输出的电信号进行计算分析以得到待测量，并将该待测量以电信号形式输出。7.一种检测系统，其特征在于，包含如权利要求1~6任一项所述的量子传感前端、后端以及连接于二者之间的传输线路，所述后端包含：激光单元，用于输出激光信号；总机，用于数据的处理分析。8.根据权利要求7所述的检测系统，其特征在于，所述激光单元输出的激光信号分为波长不同的两种激光，其中一种作为激励固态自旋量子探头的激励激光，另一种作为光电池单元转化电能的供能激光。9.根据权利要求7所述的检测系统，其特征在于，所述激光单元输出的激光信号为一种波长的激光，该激光的一部分用于激励固态自旋量子探头，另一部分通过光电池单元转化为电能。10.根据权利要求7-9任一项所述的检测系统，其特征在于，所述传输线路包含一光纤，在量子传感前端与后端二者之间传输的光信号均通过此光纤进行传输。11.一种检测方法，其特征在于，包含以下步骤：s1、在检测端获取激光信号；s2、在检测端利用固态自旋量子探头感知待测量，并利用一部分激光信号激励固态自旋量子探头以获取反馈荧光，同时将另一部分激光信号转化为电能为检测端的用电器件供电；s3、在处理端接收反馈荧光并计算处理得到待测量。12.根据权利要求11所述的检测方法，其特征在于，在检测端将反馈荧光采集并转化为电信号后输出，再在处理端接收该电信号并进行计算处理得到待测量。

技术总结
本发明涉及量子精密测量技术领域，方案为一种基于激光充能的量子传感前端，包含：光信号单元，用于获取及传输激光信号；固态自旋量子探头，用于感知外界环境因素并在激光信号的激励下产生反馈荧光；光电池单元，用于将激光信号转化为电能存储使用；本方案设计了一种含光电池单元的传感前端，其能够将传感单元获取的激光信号部分转化为电能，从而为前端或前端附近的用电器件供电，该设计使得量子传感前端的功能得以丰富，且激光充能及激光激励过程均通过光线路实现，即在前后端之间无需供电线路，简化了前后端的线路设计，且扩展了量子传感前端的使用范围。感前端的使用范围。感前端的使用范围。


技术研发人员：赵博文 赵龙 张少春 耿佳琪 田腾 仇茹嘉 谢涛 高博 胡小文 汪鹏
受保护的技术使用者：安徽省国盛量子科技有限公司
技术研发日：2023.07.26
技术公布日：2023/10/20