原子自旋传感器的温度噪声超高精度测试标定系统技术方案

本发明专利技术公开了一种原子自旋传感器的温度噪声超高精度测试标定系统，包括探头，所述探头包括金刚石衬底，所述金刚石衬底上表面中部加工有金刚石NV色心波导，所述金刚石衬底上表面生长一层覆盖NV色心波导的金刚石折射率匹配层作为反射膜，所述金刚石衬底上表面加工微带天线阵列，所述微带天线阵列延伸有微带天线端口，所述微带天线端口连接微波源，所述微带天线阵列上表面镀有磁性纳米薄膜。本发明专利技术采用内嵌NV色心的波导的金刚石衬底作为敏感单元，利用激光实现电子能级跃迁，通过扫描微波，温度探头内的磁性纳米薄膜感受外界温度会产生与温度大小相关的磁场，通过荧光强度谱线两个峰值对应的微波频率的差值来对温度进行标定，实现温度的超高精度测量。

Calibration system for ultra precision measurement of temperature noise of atomic spin sensor

The invention discloses a noise temperature sensor for ultra high precision atomic spin testing and calibration system, including the probe, the probe includes a diamond substrate, wherein the substrate surface of the central processing diamond diamond NV center waveguide, the diamond substrate grown on the surface of a layer of diamond refractive NV center waveguide coverage rate, as the reflection layer the diamond film and substrate surface processing of microstrip array antenna, the microstrip antenna array with extended microstrip antenna port, the microstrip antenna port microwave source, the surface of the microstrip antenna array is coated with nano magnetic thin films. The invention adopts the embedded waveguide NV center diamond substrate as the sensing element, realize the electronic transitions by laser scanning by microwave, magnetic nano thin film temperature probe in the outside temperature will produce feelings associated with the size of the temperature field, the difference of microwave frequency through the fluorescence intensity of spectral line two peak corresponding to the calibration of temperature and to achieve ultra high precision temperature measurement.

【技术实现步骤摘要】
原子自旋传感器的温度噪声超高精度测试标定系统
本专利技术涉及量子传感领域，具体是一种基于金刚石NV色心量子自旋效应的温度噪声超高精度测试标定系统。
技术介绍
随着电子、医疗、通讯、航空航天行业的技术的飞速发展和广泛普及，由此带来的对于加工、实验、测试过程中需要精确测量温度的需求日趋重要，同时也对测量器件在复杂环境中稳定工作提出了更高的要求。目前广泛用于温度测量的传感器工作原理普遍采用：根据金属丝的电阻随温度变化的原理工作的热电阻；两种导体接触在一块，结点处会有一个稳定的电动势。同一导体，两端温度不同会有一定大小的电动势的热电偶和利用感温液体受热膨胀原理工作的液体温度计。因此，开发一种环境适应性强，应用范围广的传感器十分必要。
技术实现思路
本专利技术目的是针对固态NV色心金刚石原子自旋效应，提出一种基于平面色心波导、平面微波和射频微带天线、纳米磁性材料的集成芯片级金刚石色心温度噪声超高精度测试标定系统，具有体积小、精度高、温度范围大、操作简单和可持续工作等特性。本专利技术是采用如下技术方案实现的：一种原子自旋传感器的温度噪声超高精度测试标定系统，包括探头，所述探头包括金刚石衬底，所述金刚石衬底上表面中部加工有金刚石NV色心波导，所述金刚石衬底上表面生长一层覆盖NV色心波导的金刚石折射率匹配层作为反射膜，所述金刚石衬底上表面加工微带天线阵列，所述微带天线阵列延伸有微带天线端口，所述微带天线端口连接微波源，所述微带天线阵列上表面镀有磁性纳米薄膜；所述金刚石衬底背面加工有光纤端口，所述光纤端口包括激光输入端口和荧光信号输出光电检测端口，所述光纤端口与耦合器的光纤端口连接，且光纤端口中的激光输入端口与耦合器的光纤端口联通，所述光纤端口中的荧光信号输出光电检测端口与耦合器的光纤端口联通；所述耦合器的光纤端口通过光纤与激光器的输出端连接，所述耦合器的光纤端口通过光纤与的光电探测器输入端连接，所述光电探测器的输入端安装滤光片，所述光电探测器的输出端与信号调制器的输入端连接，所述信号调制器的输出端与温度显示器的输入端连接。工作时，当半导体激光器发出的激光经光纤进入耦合器，经光纤端口和光纤端口到达内嵌NV色心波导的金刚石衬底，激光经NV色心的电子从基态激发到激发态。对于NV色心，在只有外加微波而没有外加磁场时，只有1个荧光强度峰值，外加磁场后，由于塞曼效应和电子自旋，NV色心的能级会发生分裂，从而出现2个荧光强度峰值，而且两个荧光强度的峰值所对应的两个微波频率的差值与磁场强度有着一定的线性关系，通过测量两个荧光强度峰值之间的微波频率差就可以得到外加磁场的磁场强度，外加磁场强度由磁性纳米薄膜感受外界温度后提供。激光器发出532nm激光，具体温度读取方法如下：1、使用时，当用532nm的激光辐照NV色心金刚石时，NV色心电子从基态将被激发到激发态，由于NV色心电子激发态特有的激发态能级结构在电子回落到基态时会发出一定强度的荧光。NV色心激发态电子将与微波发生共振并发出600nm～800nm的荧光。NV色心的基态能级为三重态，存在2.87Ghz的零场分裂，即当微波频率为2.87Ghz时NV色心电子能级发生分裂。磁性纳米薄膜在感受到外界某一温度时产生与之对应的磁场，金刚石电子基态能级在微波源2.85～2.89Ghz的扫描下，可以得到NV色心的电子磁共振波谱或超精细能级磁共振共振谱线。2、通过温度影响磁场，不同磁场下的电子磁共振波谱的两个共振峰值之间的微波频率差值不同。温度越高，对应的磁场越大，峰-峰值的微波频率差值越大，如附图3所示的光探测磁共振波谱图。对其进行一定的标定，可以通过磁场将温度和共振波谱峰-峰值对应的微波两者建立线性关系，从而实现了温度的超高精度测量。本专利技术对研制新一代基于固态原子自旋效应的温度传感器有着重要的意义和价值，将服务于未来各个领域，特别是对灵敏度要求较高的电子、医疗、通讯、航空航天等的温度测量。附图说明图1表示本专利技术的结构示意图。图2表示本专利技术耦合器中光路传播示意图。图3表示光探测磁共振波谱图。图中：1-光刻胶，2-磁性纳米薄膜，3-微带天线端口，4-微带天线，5-反射膜，6-金刚石衬底，7-微波源，8-激光器，9-光纤，10-温度显示器，11-光纤端口，12-滤光片，13-光电探测器，14-信号调制器，15-温度传感器外框，16-耦合器，17-光纤端口，18-光纤端口，19-光纤端口。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施例进行详细说明。一种原子自旋传感器的温度噪声超高精度测试标定系统，包括532nm激光器、微波源、耦合器、光电探测器、信号调制器、温度显示器等。具体连接关系如图1所示，温度传感器包括温度探头，所述温度探头包括金刚石衬底6，所述金刚石衬底6上表面中部加工有金刚石NV色心波导，所述金刚石NV色心波导的厚度200微米、直径200微米。所述金刚石衬底6上表面生长一层覆盖NV色心波导的厚度为200nm的金刚石折射率匹配层作为反射膜5，用以反射金刚石受激产生的荧光。所述金刚石衬底6上表面加工微带天线阵列4，用于接收微波信号。所述微带天线阵列4中微带天线的规格为：长250微米，宽和高均为40微米。所述微带天线阵列4延伸有微带天线端口3，所述微带天线端口3连接微波源7，所述微带天线阵列4上表面镀有磁性纳米薄膜2，充当外加磁场，所述磁性纳米薄膜2上表面用光刻胶1保护，光刻胶1厚度2微米。所述金刚石衬底6背面横截面积上加工有光纤端口11，与金刚石衬底6配合。所述光纤端口11包括激光输入端口和荧光信号输出光电检测端口，所述光纤端口11与耦合器16的光纤端口18连接，且光纤端口11中的激光输入端口与耦合器16的光纤端口17联通，所述光纤端口11中的荧光信号输出光电检测端口与耦合器16的光纤端口19联通；也就是说，如图2所示，光纤耦合器可使光在其里边实现单向传输，从光纤端口17进去的激发光只能经光纤端口18传输出去，而从光纤端口18处传出的NV色心荧光只能传向光纤端口19，因此，光纤端口19处只能接受到NV色心荧光信号，而没有光纤端口17传出532nm激发光，从而避免了多种光信号性干叠加导致的测量不准确。所述耦合器16的光纤端口17通过光纤9与激光器8的输出端连接，半导体激光器8发出532nm的激光通过光纤9由光纤端口17进入耦合器16，经光纤端口18出去后在经光纤端口11到达金刚石衬底6。所述耦合器16的光纤端口19通过光纤9与的光电探测器13输入端连接，所述光电探测器13的输入端安装滤光片12，所述光电探测器13的输出端与信号调制器14的输入端连接，所述信号调制器14的输出端与温度显示器10的输入端连接。金刚石NV色心波导的荧光信号随光纤端口11经光纤端口18进入到耦合器16，再经光纤端口19到达滤光片12，光电探测器13接受从滤光片12出来的不含激光的荧光，在通过信号调制器14的处理系统，在温度显示器10上显示出测量的温度。如图1所示，激光器8、耦合器16、微波源7、光电探测器13、信号调制器14及温度显示器10集成在温度传感器外框15内。金刚石衬底6及其上的反射膜5、微带天线4、磁性纳米薄膜2、光刻胶1封装于探头保护壳体内。当半导体激光器8发出532nm的激光经光纤9进入耦合器16，经光纤端口18、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种原子自旋传感器的温度噪声超高精度测试标定系统，其特征在于：包括探头，所述探头包括金刚石衬底（6），所述金刚石衬底（6）上表面中部加工有金刚石NV色心波导，所述金刚石衬底（6）上表面生长一层覆盖NV色心波导的金刚石折射率匹配层作为反射膜（5），所述金刚石衬底（6）上表面加工微带天线阵列（4），所述微带天线阵列（4）延伸有微带天线端口（3），所述微带天线端口（3）连接微波源（7），所述微带天线阵列（4）上表面镀有磁性纳米薄膜（2）；所述金刚石衬底（6）背面加工有光纤端口

【技术特征摘要】
1.一种原子自旋传感器的温度噪声超高精度测试标定系统，其特征在于：包括探头，所述探头包括金刚石衬底（6），所述金刚石衬底（6）上表面中部加工有金刚石NV色心波导，所述金刚石衬底（6）上表面生长一层覆盖NV色心波导的金刚石折射率匹配层作为反射膜（5），所述金刚石衬底（6）上表面加工微带天线阵列（4），所述微带天线阵列（4）延伸有微带天线端口（3），所述微带天线端口（3）连接微波源（7），所述微带天线阵列（4）上表面镀有磁性纳米薄膜（2）；所述金刚石衬底（6）背面加工有光纤端口（11），所述光纤端口（11）包括激光输入端口和荧光信号输出光电检测端口，所述光纤端口（11）与耦合器（16）的光纤端口（18）连接，且光纤端口（11）中的激光输入端口与耦合器（16）的光纤端口（17）联通，所述光纤端口（11）中的荧光信号输出光电检测端口与耦合器（16）的光纤端口（19）联通；所述耦合器（16）的光纤端口（17）通过光纤（9）与激光器（8）的输出端连接，所述耦合器（16）的光纤端口（19）通过光纤（9）与的光电探测器（13）输入端连接，所述光电探测器（13）的输入端安装滤光片（12），所述光电探测器（13）的输出端与信号调制器（14）的输入端连接，所述信号调制器（14）的输出端与温度显示器（10）的输入端连接。2.根据权利要求1所述的原子自旋传...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘俊，郭浩，唐军，赵锐，刘文耀，赵彬彬，马宗敏，朱强，高研杰，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：山西,14