一种基于轨道角动量转移的光致极弱磁成像系统及方法

技术领域

本发明涉及光学与极弱磁成像领域，特别涉及一种基于轨道角动量转移的光致极弱磁信号成像系统及方法。

背景技术

极弱磁成像在屏蔽舱的零磁环境下，可无损获得生物体自发的神经功能磁信号，并借助结构成像手段进行多模态图像信息融合，绘制信号分布定位病灶。传统的光激励方法通常只考虑了激光的能量，经过光吸收体转化为热能、机械能或受激辐射光子等。光致极弱磁成像结合了光学成像的高选择性、光子信息，和磁成像的高穿透性，通过携带轨道角动量的红外涡旋光激励纳米探针，实现OAM从光子转移至电子(物质)，形成涡旋电流，产生微弱感应磁场。

红外光波长较长，在传播过程中能较好保持涡旋态，具备携带轨道角动量的优异能力。然而，由于其频率和能量较低，红外光只能激发处于高能态的电子，实现轨道角动量在光子和物质间的转移。采用多波长激发的方式，先利用高能量激光获得里德堡原子，再进一步进行红外光轨道角动量的传输耦合。上述过程激励的极弱磁信号很大程度上被淹没在环境磁场中，超灵敏磁力计在磁屏舱内的信号捕捉，可以无损获得涡旋光激励的极弱磁信号。分析激发光子的轨道角动量与获得的磁场强度大小，通过数据处理方法比对实际磁矩与预设磁矩，根据该转化效率有望对精密材料检测和生物影像提供新的表征参数，在生物医学影像和材料检测方面有广泛的应用前景。

发明内容

为克服现有技术的缺点和不足，本发明提出一种基于轨道角动量转移的光致极弱磁成像系统及方法。为解决红外光频率低、能量低而无法直接激发电子的问题，本发明采用钛宝石飞秒激光放大器，实现样品原子的里德堡态激发；采用近红外激光器将携带的轨道角动量转移至电子。上述激发过程在磁屏蔽内完成。具有轨道角动量的电荷绕轴旋转形成涡旋电流，从而激发可在屏蔽舱内被磁力计探测到的弱感应磁场。

在磁屏蔽桶内的空间测试环境下，通过该方法可以在原子水平上实现光响应产生的极弱磁信号检测。采取双光子抽运的方式，以高能量的紫外脉冲光束，将样品原子结构中的稳态电荷激发至里德堡态；然后，通过一束与上述光路同轴的红外涡旋光，将光子的轨道角动量传递给已被激发至不稳定态的受激电荷，使其定向移动形成涡旋电流，激发微弱的感应磁场。上述三束光路经光纤合束器耦合至多模光纤，接入磁屏蔽舱内。最后，通过超高灵敏度的磁强计，在磁屏蔽舱内采集光激励的极弱磁信号。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于轨道角动量转移的光致极弱磁成像系统，包括光磁信号发生模块和光磁信号处理模块。所述光磁信号发生模块包括第一激光发射装置；倍频分束模块，与所述第一激光发射装置连接；倍频光整形模块，与所述倍频分束模块和第一激光发射装置连接；基频光整形模块，与所述倍频分束模块和第一激光发射装置连接；第二激光发射装置；涡旋光模块，与所述第二激光发射装置连接；光束分析仪，与所述涡旋光模块和第二激光发射装置连接；光纤合束器，与所述基频光整形模块、倍频光整形模块和涡旋光模块连接。所述光磁信号处理模块包括信号采集模块和数据分析模块。

所述第一激光发射装置包括钛宝石飞秒激光放大器和半波片，提供峰值为780nm的可调谐高能量偏振态基频光。所述倍频分束模块包括倍频模块和分束模块，所述倍频模块材料为偏硼酸钡晶体，产生波长在390nm附近的二次谐波结合基频波利用双光子抽运激发样品原子至里德堡态，所述分束模块具体为一种短波通二向色分光镜，用以将两种不同波长的激光分为折射和反射两条路径。所述第二激光发射装置包括近红外激光器与光束整形器，所述光束整形器与所述红外激光器连接，提供能量均匀的可调节光斑大小的红外激光光束。所述涡旋光模块包括空间光调制模块和光束分析模块。所述空间光调制模块具体为硅基空间光调制器，为入射光波的复振幅引入螺旋相位项，将红外光的平面波前调制成螺旋形波前，使其携带轨道角动量。所述光束分析模块具体为分光镜和光束分析仪构成，用以监测涡旋光相位，偏振态，强度等参量。所述光磁信号发生模块包括第一激光发射装置、倍频分束模块、基频光整形模块、倍频光整形模块、第二激光发射装置、涡旋光模块、光束分析模块以及光纤合束器，均搭建于屏蔽舱外的光学平台，三束激光经光纤合束器耦合于多模光纤后，传导至磁屏蔽舱内形成共轴的多模式激发光场。所述信号采集模块包括超灵敏磁力计和数据采集芯片实现pT量级磁信号的同步采集，所述超灵敏磁力计夹持于样品台且探测方向与激发光场方向垂直。所述数据分析模块包括数据提取模块、图像重建模块以及磁矩转化率计算模块，所述数据提取模块提供磁场强度大小信息，反演粒子光响应能力，所述图像重建模块反映粒子分布情况提供结构信息，所述磁矩转化率计算模块利用算法分析能量转移效率，提供携带原子结构特性的信息。

本发明还提供一种基于轨道角动量转移的光致极弱磁成像方法，包括以下步骤：

步骤(1)首先利用双光子抽运的方法，使用780nm以及390nm的波长对样品原子进行里德堡态激发。其中390nm是以780nm光束为基频光，利用偏硼酸钡倍频晶体获取二次谐波，产生高能量紫外光；

步骤(2)使用空间光调制器，给红外入射激光光波的复振幅中引入螺旋相位项，将红外光的平面波前调制成螺旋形波前，使其携带轨道角动量L

步骤(3)调整三束光路的峰值功率、相位、光斑大小以及光强度，通过光纤合束器确保传播方向同轴，接入磁屏蔽舱内；

步骤(4)双光子抽运使待测原子被激发到里德堡态，涡旋红光将携带的轨道角动量传递至以激发到里德堡态的样品电荷，使其具有轨道角动量形成涡旋电流，该涡旋电流产生的磁矩定义为μ

其中，e为电子的电荷量，m

其中，μ

步骤(5)在磁屏蔽环境下，超灵敏磁力计采集由涡旋电流激发的极弱感生磁场信号；

步骤(6)基于得到的感生磁场强度大小，以及信号传输时间等信息，获取样品分布情况，构建光致极弱磁成像理论模型并分析提取弱磁信号携带的信息，能量转移效率具体由下述公式表述：

其中，B

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明创新性地提出了一种光致极弱磁成像方法和系统，该方法利用磁屏蔽舱中良好的零磁环境，实现光子轨道角动量驱使下，涡旋电流产生的极弱磁信号检测。

2、本发明为极弱磁信号发生提供了一种新的外加物理场，分析激发光子的轨道角动量与获得的磁场强度大小，通过数据处理方法比对理论获得磁场强度与实际采集磁场强度，根据该转化效率有望对精密材料检测和生物影像提供新的表征参数。

本发明利用三束不同特性的激光，激发里德堡态原子并实现光子轨道角动量向电子(物质)的传递，有效克服了传统磁激励模式下复杂工作环境对超灵敏度探头的干扰，以及定位不佳的难题。此外，本发明的方法打破了内源磁信号依赖于丰富神经活动的局限性，能无损，高灵敏，高分辨地检测样品极弱磁信号，并对激发光子的轨道角动量、受激磁场强度等参数解析，获取可表征激励效率的参数。本发明有望实现物质原子结构以及电子分布的精密检测，并提供新的表征参数，在生物医学影像和材料检测上有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例的基于轨道角动量转移的光致极弱磁信号成像系统示意图。

图2为本发明的涡旋光光路设计示意图。

图3为一种实施例中屏蔽舱内多模式激发光场、样品台和磁力计设计示意图。

图4为本发明的基于轨道角动量转移的光致极弱磁信号成像方法的原理及流程示意图。

图5为一种实施例中样品原子的电子构型受激跃迁示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点更加清楚明白，以下结合附图以及实施例对本发明进行进一步详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

如图1所示，本发明的一种基于轨道角动量转移的光致极弱磁成像系统包括：第一激光发射装置；倍频分束模块，与所述第一激光发射装置连接；倍频光整形模块，通过所述倍频分束模块与第一激光发射装置连接；基频光整形模块，通过所述倍频分束模块与第一激光发射装置连接；第二激光发射装置；涡旋光模块，与所述第二激光发射装置连接；光束分析仪，通过所述涡旋光模块与第二激光发射装置连接；光纤合束器，与所述基频光整形模块、倍频光整形模块和涡旋光模块连接；磁屏蔽舱，用于提供极弱磁信号检测环境；超灵敏磁力计，置于样品台，用于采集并放大极弱磁信号；信号采集模块，与所述超灵敏磁力计连接，用于控制激励源以及触发硬件采集信号；数据分析模块，用于对接收到的信号进行变换分析，重建指标参数。

所述第一激光发射装置包括：钛宝石飞秒激光放大器，中心波长为780nm；光束整形器，与所述钛宝石飞秒激光放大器连接，用于获得均匀，高功率密度的激光。所述倍频分束模块包括倍频模块和分束模块，所述倍频模块材料为偏硼酸钡晶体，产生波长在390nm附近的二次谐波结合基频波利用双光子抽运激发样品原子至里德堡态，所述分束模块具体为一种短波通二向色分光镜，用以将两种不同波长的激光分为折射和反射两条路径。所述倍频光整形模块包括聚焦透镜组和光阑，用于调节光斑大小以及能量。所述第二激光发射装置包括：红外激光器，波长为1064nm；光束整形器，与所述红外激光器连接，用于获得能量均匀的红外激光光束，调节光斑大小。

如图2所示，所述涡旋光整形模块包括空间光调制器，给入射光波的复振幅中引入螺旋相位项，将红外光的平面波前调制成螺旋形波前，使其携带轨道角动量；分光棱镜，将同参量光路分为两束；光束分析仪，分析涡旋光状态、相位、光强等参数。所述光纤合束器将三种不同模式的光路耦合为中心重合的一束光路，以多模光纤传导至磁屏蔽舱内。

如图3所示，所述磁屏蔽舱能抵消地磁干扰，为超灵敏磁力计提供良好的工作环境。所述超灵敏磁力计夹持于样品升降台上，信号接收方向与光束激励方向正交。所述样品升降台通过调节高度保证待测样品位于光焦点处。所述多模式光场携带了光束A、光束B和光束C的特征，实现原子里德堡态激发和轨道角动量转移。图3中舱门用于隔离和连接舱内外空间，便于样品和超灵敏磁力计位置调整。所述信号采集模块，实现极弱磁信号的同步采集。所述数据分析模块通过信号解析算法，提取磁场强度以及带有原子特征的光磁转化效率等信息。

实现轨道角动量从光子传递至电子(物质)的原理以及流程如图4所示。首先利用双光子抽运的方法，对样品原子进行里德堡态激发。传统技术中通常采用铯、氦等最外层电子数为1的原子获得里德堡态。在本实施例中，考虑到上述原子生物相容性的问题，采用金超原子Au

红外脉冲激光经过光强、聚焦程度、涡旋态调节后，光斑c直径约为60μm，中心与上述光斑a、b重合，定义携带轨道角动量为L

其中，e为电子的电荷量，m

根据毕奥-萨伐尔定律，闭合回路中取某一单位长度在距离l处产生的感应磁场强度大小B可定义为：

其中，μ

代入实施例的环境中，上式可写为：

其中，θ为I与l的夹角。

替换电流强度I可以得到由轨道角动量定义的磁场强度B

能量转移效率η具体由下述公式表述：

其中，B

上述过程将三种模式的激发光场时空交叠，构成可实现轨道角动量光子-电子转移的多模式光场。

上述激励过程在屏蔽地磁的磁屏蔽舱内完成。通过磁力计对极弱磁场信号的采集转换，提取磁场强度B的信息，表征Au

本实施例描述能量转移过程时，近似看作是理想状态下，光子的轨道半径与电子轨道半径一致。进一步探究可知，实际上，基于不同的原子特性和电子构型，轨道角动量在转移过程中会发生损耗。计算上述理想状态下推导的磁场强度B

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。