一種基于內(nèi)嵌nv-色心金剛石的磁場測量裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及磁場測量的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于內(nèi)嵌NV色心金剛石磁測量 裝置，可用于高空間分辨率、微弱磁場的測量，在基礎(chǔ)物理、化學材料、生物醫(yī)學、工業(yè)檢測 等領(lǐng)域有重要應用價值。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著社會和科學技術(shù)的不斷進步，對弱磁場測量的需求不斷增加。一些新的物理 效應的發(fā)現(xiàn)、新技術(shù)的突破，使磁場測量裝置的性能有了很大提升。弱磁測量技術(shù)已經(jīng)滲透 在基礎(chǔ)物理、生物醫(yī)學、工業(yè)檢測、軍事國防等領(lǐng)域，同時在物聯(lián)網(wǎng)、智能電網(wǎng)中也有廣泛的 應用前景。
[0003] 超導量子干涉儀（superconducting quantum interference device，SQUID)是目 前工程應用中靈敏度最高的弱磁測量裝置，但是儀器工作時需要液氮或液氦降溫，并保持 4. 2K或77K的溫度，維護費用較高且低溫設(shè)備必不可少，導致儀器體積龐大，空間分辨率不 高?；诘臒o自旋交換弛豫（spin-exchange relaxation free，SERF)的磁強計需要對敏 感源加熱，在生物磁場探測、成像時需要對探頭進行隔熱處理，這限制了其應用，同時加熱 裝置、隔熱裝置也增大了儀器的體積。因此目前急需小體積、高空間分辨率、工作在室溫的 磁場測量裝置。
[0004] 近年來，內(nèi)嵌NV色心的金剛石材料在量子測量領(lǐng)域的應用引起研究人員的關(guān)注。 采用NV色心中的電子自旋可以實現(xiàn)磁場的測量。通過光學及微波手段實現(xiàn)NV色心電子 自旋的操控，利用電子自旋對磁場敏感特性，會使得電子自旋布局數(shù)發(fā)生變化，進而使熒光 強度變化，實現(xiàn)磁場的測量。內(nèi)含NV色心的金剛石可在室溫下進行工作，不需要溫度控制 裝置，且金剛石是固體材料，敏感探頭可以很小，可擁有較高的空間分辨率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：提出一種基于內(nèi)嵌NV色心金剛石的磁場測量裝置， 具有能在室溫條件下實現(xiàn)高空間分辨率弱磁測量能力，以及成本低、體積小、操作簡易的特 性。本發(fā)明還提供了所述基于內(nèi)嵌NV色心金剛石的磁場測量裝置的基本工作原理和工作 方式。
[0006] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案為：一種基于內(nèi)嵌NV色心金剛石的磁 場測量裝置，包括CCD圖像傳感器、光纖耦合器、調(diào)整架和磁場測量探頭，其中：
[0007] 所述磁場測量探頭的前端是一個相移型微納光纖布拉格光柵，內(nèi)嵌NV色心金剛 石位于布拉格光柵中央的微腔內(nèi)。相移型微納光纖布拉格光柵背面鍍有一條銅質(zhì)微帶天 線，通過微帶天線末端的高頻接線端連接至微波源，為NV色心提供操控微波場。相移型微 納光纖布拉格光柵末端用聚焦粒子束切平用于反射部分熒光，其前端通過一段圓錐過渡區(qū) 域與普通光纖相連，在普通光纖靠近相移型微納光纖布拉格光柵處外側(cè)纏繞細銅線形成靜 磁場線圈，靜磁場線圈的接線端與電源連接，為靜磁場線圈供電產(chǎn)生靜磁場。普通光纖遠離 相移型微納光纖布拉格光柵的一端連接至光纖親合器。
[0008] 所述C⑶圖像傳感器、光纖耦合器、調(diào)整架集成于磁場測量裝置外框內(nèi)。與532nm 的激光器相連的光纖由調(diào)整架固定，光纖發(fā)出的532nm激光通過透鏡準直后照射到二向色 鏡上并反射，通過對位于調(diào)整架和二向色鏡上的旋鈕的調(diào)節(jié)可以使反射的532nm激光通過 光纖耦合器耦合至磁場測量探頭，照射到位于磁場測量探頭前端的內(nèi)嵌NV色心金剛石，導 致金剛石內(nèi)的NV色心的電子自旋被極化，NV色心的電子自旋與外界待測磁場相互作用 后，產(chǎn)生的600nm-800nm的熒光沿與入射激光相同的路徑返回并透過二向色鏡，經(jīng)過濾波 片濾掉532nm反射激光只讓熒光通過。透過濾波片的熒光由CXD圖像傳感器進行采集，通 過對熒光的強度的檢測實現(xiàn)磁場的測量。
[0009] 所述內(nèi)嵌NV色心金剛石是內(nèi)嵌NV色心的納米金剛石顆粒，將含有納米金剛石顆 粒的溶液滴入相移型微納光纖布拉格光柵中央的微腔內(nèi)，利用532nm激光照射，通過檢測 是否有熒光判斷納米金剛石顆粒是否被放入微腔內(nèi)。溶液蒸發(fā)后納米金剛石顆粒便附著在 微腔內(nèi)部。
[0010] 所述相移型微納光纖布拉格光柵是一種光學微腔諧振器，是在直徑約1~10 μ m 的微納光纖上刻蝕周期為Λ、在中央有1.5倍Λ相移的光柵。光柵周期按照公式各二^ 計算，其中η為微納光纖的有效折射率，取λ = 532nm可使532nm激光在移相微腔內(nèi)產(chǎn)生 共振。光柵周期個數(shù)根據(jù)實際需求選擇，光柵中央微腔長度不應超過1.5倍的Λ。
[0011] 另外，本發(fā)明提供的一種基于內(nèi)嵌NV色心金剛石的磁場測量裝置，按照以下工作 方法實現(xiàn)磁場的測量。
[0012] 金剛石NV色心的基態(tài)能級是三能級結(jié)構(gòu)，可被532nm的激光極化到自旋S = 0狀 態(tài)，利用微波脈沖對基態(tài)能級進行操控，被操控的能級之間產(chǎn)生相干性，在待測外磁場環(huán)境 下會產(chǎn)生相對相位，相對相位可以轉(zhuǎn)化為熒光強度，通過對熒光強度的檢測實現(xiàn)待測磁場 在金剛石NV軸上投影的測量。對于確定的金剛石，NV軸的方向是確定的，因此可以實現(xiàn)磁 場的矢量測量。
[0013] 給靜磁場線圈施加一定已知強度電流產(chǎn)生參考靜磁場，在參考磁場條件下，金剛 石NV色心能級S = O與S=I或S = O與S = -I之間的能級差是確定的，記為Δ。使用 時按照以下時序完成一次磁場的測量：
[0014] (1)、初始化階段：啟動電源，532nm激光通過經(jīng)透鏡準直后照射到二向色鏡上，被 反射后通過光纖耦合器進入到磁場測量探頭并照射到內(nèi)嵌NV色心的金剛石，初始化金剛 石內(nèi)NV色心電子自旋；
[0015] (2)、測量階段：靜磁場與交流磁場測量時序不同，分別進行說明。
[0016] ①靜磁場：采用Ramsey序列進行測量。斷掉激光，通過微帶天線施加頻率為Δ的 微波脈沖，脈沖時長為半個電子自旋的拉比振蕩周期即/2脈沖；讓體系自由演化τ時 間，τ小于NV色心電子自旋的退相干時間T 再輸入一個時長為π /2微波脈沖；
[0017] ②交流磁場：采用Hahn回聲序列進行測量。斷掉激光，通過微帶天線施加頻率為 A的微波，脈沖時長為半個電子自旋的拉比振蕩周期即π/2脈沖；讓體系自由演化τ/2 時間，輸入一個時長為31微波脈沖；再讓體系自由演化τ/2時間后輸入一個時長為π/2 微波脈沖。τ根據(jù)待測交流磁場的頻率確定，如果待測磁場頻率V已知，則τ =2π/V，若 磁場未知，則先需要掃描τ，選擇熒光強度最強時對應的τ進行測量。
[0018] (3)、讀出階段：在最后一個微波脈沖輸入后輸入一個激光脈沖，金剛石NV-色心 產(chǎn)生熒光，部分熒光沿入射光路徑返回至二向色鏡并透過二向色鏡，經(jīng)濾波片濾除反射回 來的激光，最后利用CCD圖像傳感器對熒光強度進行檢測，讀出信號。
[0019] 本發(fā)明的原理：本發(fā)明通過對金剛石內(nèi)NV色心的自旋相干態(tài)在外磁場環(huán)境下產(chǎn) 生的相對相位進行檢測實現(xiàn)轉(zhuǎn)磁場的測量。其基本原理為：利用532nm激光將NV色心電 子自旋極化，使電子自旋初始化至自旋S = 0的態(tài)。施加頻率約為△、脈沖時長為半個電 子自旋的拉比振蕩周期即π /2的微波脈沖后，電子自旋的S = 0態(tài)與S = 1態(tài)或S = 0態(tài) 與S = -1態(tài)變成相干狀態(tài)，當金剛石樣品在處于外界磁場中時，相干狀態(tài)將產(chǎn)生相對相位。 若果待測磁場為交流磁場，需要再加一個脈沖，可消除環(huán)境擾動帶來的影響。然后通過 另一個/2的微波脈沖作用可以將相對相位轉(zhuǎn)化為電子自旋的布居。最后利用532nm激 光照射可將電子自旋從基態(tài)激發(fā)，由于僅有自旋S = 0態(tài)的電子從激發(fā)態(tài)落回基態(tài)時發(fā)出 熒光，因此通過檢測熒光強度可實現(xiàn)電子自旋布居數(shù)的檢測，從而可得到相對相位的大小， 進而可獲得待測磁場沿色心NV軸方向的投影。
[0020] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于：
[0021] (1)、本發(fā)明以固體材料納米金剛石顆粒中的NV色心電子自旋作為敏感元，在保 證敏感原子數(shù)目的同時可有效的縮小探頭體積。
[0022] (2)、本發(fā)明利用相移型微納光纖布拉格光柵作為磁場測量探頭樣品腔，可有效地 將激光集中到金剛石上，提高了金剛石NV色心的極化率；同使可使探頭體積非常小，能在 被測對象表面或探入微小的孔和縫隙中進行測量，實現(xiàn)高空間分辨率的磁場測量。
[0023] (3)、本發(fā)明的探頭通過普通光纖與裝置主體連接，可突破被探測對象距離和尺寸 的限制。
[0024] (4)、本發(fā)明對操作溫度沒有要求，所有測量可以在室溫下進行，擴大了系統(tǒng)應用 范圍。不需要溫控裝置，簡化了裝置，降低了成本。
【附圖說明】
[0025] 圖1為本發(fā)明的磁場測量探頭放大圖；
[0026] 圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)圖；
[0027] 附圖標記列示如下：1-普通光纖，2-靜磁場線圈，3-高頻接線端，4-微帶天線， 5_相移型微納光纖布拉格光柵，6-內(nèi)嵌NV色心金剛石，7-CXD圖像傳感器，8-磁場測量裝 置外框，9-濾波片，10-二向色鏡，11-光纖耦合器，12-磁場檢測探頭，13-透鏡，14-調(diào)整 架。
【具體實施方式】
[0028] 下面結(jié)合附圖以及【具體實施方式】進一步說明本發(fā)明。
[0029] 一種基于內(nèi)嵌NV色心金剛石的磁場測量裝置，包括C⑶圖像傳感器7、濾波片9、 二向色鏡10、光纖耦合器11、透鏡13、調(diào)整架14和磁場測量探頭12。所述磁場測量探頭12 包括內(nèi)嵌NV色心金剛石6敏感部件，相移型微納光纖布拉格光柵5,微帶天線4,靜磁場線 圈2,普通光纖1。
[0030] 所述C⑶圖像傳感器7、光纖耦合器11和調(diào)整架14集成于磁場測量裝置外框8內(nèi)。 調(diào)整架14固定與532nm激光器相連的光纖，經(jīng)光纖出射的532nm的激光通過透鏡13準直 后被二向色鏡10反射，通過對位于調(diào)整架14和二向色鏡上10的旋鈕的調(diào)節(jié)可以使反射激 光通過光纖耦合器11耦合至磁場測量探頭12,照射到位于磁場測量探頭末端的內(nèi)嵌NV色 心納米金剛石顆粒6,導致金剛石內(nèi)的NV色心的電子自旋被極化，NV色心的電子自旋與外 界待測磁場相互作用，產(chǎn)生的600nm-800nm的熒光沿與入射激光相同的路徑