宽场超分辨自旋磁成像装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种宽场超分辨自旋磁成像装置，包括：感测探头模块，体内有多个自旋感测单元，所述自旋感测单元即NV色心的金刚石样品；空间位置调节模块，用于调整所述金刚石样品的空间位置；荧光收集成像模块，用于对所述自旋感测单元发出的荧光进行空间成像；激发光产生模块，用于产生空间分布均匀的激光脉冲以激发所述自旋感测单元；微波磁场模块，用于产生均匀偏置磁场和均匀微波场，调控NV自旋能级以及操控NV色心量子态演化；梯度磁场模块，用于产生梯度磁场，控制NV色心量子叠加态演化；数据和算法处理模块，包含GPU运算单元的计算机工作站，用于进行实验控制和数据处理。用于进行实验控制和数据处理。用于进行实验控制和数据处理。

【技术实现步骤摘要】
宽场超分辨自旋磁成像装置及方法


[0001]本专利技术涉及宽场磁成像领域，尤其涉及一种宽场超分辨自旋磁成像装置及方法。

技术介绍

[0002]经过近些年的发展，基于金刚石NV色心的磁成像技术形成了两种成熟的种类：单色心扫描成像与宽场成像技术。单色心扫描技术结合和单NV色心原子级大小和扫描探针的优势，可以实现超高空间分辨率(～10nm)的磁场成像，并被广泛用于生物细胞蛋白成像(Pengfei Wang.et al.Science Advances.2019)、二维磁性材料中磁性纹理成像Gross,I.et al.Nature.2017)等需要高空间分辨率的领域。宽场成像技术使用系综NV色心探测，对宽视野内的NV色心同时操控，在细胞成像(D.R.Glenn.et al.Nat Methods.2015)、水溶液离子浓度成像(Steinert,S.et al.Nat Communications.2013))、古地磁测量(D.R.Glenn et al.G3.2017)等领域得到有效应用。
[0003]这两类传统的磁成像技术有着不可调和的矛盾和缺点。单色心扫描技术使用单个NV色心在样品表面移动，依次测量各处磁场大小，得到样品表面的磁场图像。由于需要探针和样品相对移动，样品与探针位置漂移容易引起图像畸变，使得这种方法需要极高的复位精度与移动精度，且空间逐点扫描测量的方式使得测量时间随着扫描点数线性增加，导致在这种方法在需要大视野的成像应用中受到限制。已经提出的宽场成像技术通过对大范围内的NV色心同时操控，可同时探测较宽视野内的磁场，但受限于光学衍射极限，最优分辨率在300纳米左右，使得一般宽场成像技术不适用于高分辨磁成像领域。
[0004]2015年有研究者第一次提出了k空间磁成像的方法，使用梯度磁场与脉冲序列相结合、共聚焦平台探测的方式，实现了一维空间分辨率30nm、二维空间分辨率100nm，并成功区分了平面上相距121nm的NV色心，进而成功演示了外磁场的超分辨测量。
[0005]该工作提出了一种区别于实空间扫描的磁成像方法，实现了超越光学衍射极限空间分辨率的磁场测量。其缺点在于，所使用的k空间数据编码方式本征地不可区分正负频谱，这将使重构的NV色心位置出现混叠，导致该方法难以应用于宽场高分辨率磁场成像；且共聚焦平台探测的方式只能依次对实空间中各处的NV色心进行寻址并测量，在测量上将耗费巨大的时间资源；其使用的NV色心只存在于单个直径为200nm的圆柱中，相邻圆柱的间距为2微米，得到的磁场图案为严重欠采样图，这使得该方法不具有实用意义。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术的主要目的在于提供一种宽场超分辨自旋磁成像装置及方法，以期部分地解决上述技术问题中的至少之一。
[0007]为了实现上述目的，作为本专利技术的一方面，提供了一种宽场超分辨自旋磁成像装置，包括：
[0008]感测探头模块，体内有多个自旋感测单元，所述自旋感测单元即NV色心的金刚石样品；
[0009]空间位置调节模块，用于调整所述金刚石样品的空间位置；
[0010]荧光收集成像模块，用于对所述自旋感测单元发出的荧光进行空间成像；
[0011]激发光产生模块，用于产生空间分布均匀的激光脉冲以激发所述自旋感测单元；
[0012]微波磁场模块，用于产生均匀偏置磁场和均匀微波场，调控NV自旋能级以及操控NV色心量子态演化；
[0013]梯度磁场模块，用于产生梯度磁场，控制NV色心量子叠加态演化；
[0014]数据和算法处理模块，包含GPU运算单元的计算机工作站，用于进行实验控制和数据处理。
[0015]其中，所述感测探头模块是大部分表面平整且无表面结构、特定位置带标记的金刚石样品，体内有NV色心，要求所有的NV色心在金刚石内部形成一个薄层，所有色心之间深度差小于10纳米，水平间距小于系统的光学衍射极限。
[0016]其中，所述空间位置调节模块包括XYZ三轴大量程位置调节装置和XYZ三轴高精度位置调节装置。其中，所述XYZ三轴大量程位置调节装置，具有几十毫米量级量程和10微米量级调节精度，具有几百微米级量程和1纳米调节精度。
[0017]其中，所述荧光收集成像模块采用能够根据荧光信号区分NV色心空间位置的荧光探测器，所述荧光探测器为电子耦合器件或互补金属氧化物半导体；所述荧光收集成像模块还包括：635纳米长通滤波片、800纳米短通滤波片、成像透镜和物镜；NV色心产生的荧光先用物镜收集，然后经过成像透镜，最后通过多级滤光片进入荧光探测器；通过物镜
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成像透镜组合，使得金刚石样品的NV色心薄层平面和荧光探测器靶面形成共轭面，在荧光探测器靶面上各个荧光探测单元积累的计数转化为NV色心荧光的平面分布；荧光探测器测得的图像是实际荧光分布的放大图像，放大倍数由物镜放大倍数和成像透镜焦距共同决定；所述荧光收集成像模块能够更换为单像素点的单点探测系统，即将视野范围内的所有的荧光全部收集在一个点探测器上。
[0018]其中，所述激发光产生模块包括高功率激光器、半波片、透镜组合、声光调制器组、扩束系统、平顶光束生成器和物镜；高功率激光器产生功率1瓦量级的、波长532纳米的激光，通过半波片，调节激光的偏振方向；调节偏振方向后的激光经过透镜组合和声光调制器组；光束经过声光调制器组调制后，经过扩束系统后进入平顶光束生成器，生成均匀激光束，然后经过半波片、透镜、滤光镜片，然后进入物镜，在物镜后端焦平面产生均匀激光，均匀范围为几十微米量级，均匀度达90％。
[0019]其中，所述微波磁场模块在金刚石NV色心区域内产生均匀的微波场与沿NV色心轴的偏置磁场，包括微波场产生部分与静磁场产生部分；其中，所述微波场产生部分包括波源、微波分束器、微波开关、微波合路器、微波放大器和阻抗匹配，通过设计好的微波均匀辐射结构，在金刚石内的NV色心区域内产生均匀的微波场；所述微波均匀辐射结构产生的均匀场的范围为100微米量级，均匀度能够达到95％以上；所述静磁场产生部分通过对称的线圈、大体积永磁铁的装置在NV色心区域产生均匀静磁场，均匀范围在1毫米量级，均匀度达95％以上。
[0020]其中，所述梯度磁场模块包括梯度磁场波形产生装置、梯度磁场电流输出装置、微梯度线圈；通过梯度磁场波形产生装置产生梯度磁场波形，波形信号控制梯度磁场电流输出装置产生相同波形的电流信号，电流信号输入微梯度线圈，在微梯度线圈围成的区域内
产生梯度磁场；其中，所述梯度磁场波形产生装置包括任意波发生器，所述梯度磁场电流输出装置包括压控电流源。
[0021]其中，所述数据和算法处理模块的数据处理方式如下：
[0022](1)选择特定像素，取出其采集到的k空间编码数据，通过快速傅里叶变换将k空间数据转换为实空间数据；
[0023](2)比对相邻像素的实空间数据，挑选重复出现的实空间信号，将重复信号写入等效的k空间编码视野的相应位置，该位置由像素位置计算得出；
[0024](3)本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种宽场超分辨自旋磁成像装置，其特征在于，包括：感测探头模块，体内有多个自旋感测单元，所述自旋感测单元即NV色心的金刚石样品；空间位置调节模块，用于调整所述金刚石样品的空间位置；荧光收集成像模块，用于对所述自旋感测单元发出的荧光进行空间成像；激发光产生模块，用于产生空间分布均匀的激光脉冲以激发所述自旋感测单元；微波磁场模块，用于产生均匀偏置磁场和均匀微波场，调控NV自旋能级以及操控NV色心量子态演化；梯度磁场模块，用于产生梯度磁场，控制NV色心量子叠加态演化；数据和算法处理模块，包含GPU运算单元的计算机工作站，用于进行实验控制和数据处理。2.根据权利要求1所述的磁成像装置，其特征在于，所述感测探头模块是大部分表面平整且无表面结构、特定位置带标记的金刚石样品，体内有NV色心，要求所有的NV色心在金刚石内部形成一个薄层，所有色心之间深度差小于10纳米，水平间距小于系统的光学衍射极限。3.根据权利要求1所述的磁成像装置，其特征在于，所述空间位置调节模块包括XYZ三轴大量程位置调节装置和XYZ三轴高精度位置调节装置；其中，所述XYZ三轴大量程位置调节装置，具有几十毫米量级量程和10微米量级调节精度，具有几百微米级量程和1纳米调节精度。4.根据权利要求1所述的磁成像装置，其特征在于，所述荧光收集成像模块采用能够根据荧光信号区分NV色心空间位置的荧光探测器，所述荧光探测器为电子耦合器件或互补金属氧化物半导体；所述荧光收集成像模块还包括：635纳米长通滤波片、800纳米短通滤波片、成像透镜和物镜；NV色心产生的荧光先用物镜收集，然后经过成像透镜，最后通过多级滤光片进入荧光探测器；通过物镜
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成像透镜组合，使得金刚石样品的NV色心薄层平面和荧光探测器靶面形成共轭面，在荧光探测器靶面上各个荧光探测单元积累的计数转化为NV色心荧光的平面分布；荧光探测器测得的图像是实际荧光分布的放大图像，放大倍数由物镜放大倍数和成像透镜焦距共同决定；所述荧光收集成像模块能够更换为单像素点的单点探测系统，即将视野范围内的所有的荧光全部收集在一个点探测器上。5.根据权利要求1所述的磁成像装置，其特征在于，所述激发光产生模块包括高功率激光器、半波片、透镜组合、声光调制器组、扩束系统、平顶光束生成器和物镜；高功率激光器产生功率1瓦量级的、波长532纳米的激光，通过半波片，调节激光的偏振方向；调节偏振方向后的激光经过透镜组合和声光调制器组；光束经过声光调制器组调制后，经过扩束系统后进入平顶光束生成器，生成均匀激光束，然后经过半波片、透镜、滤光镜片，然后进入物镜，在物镜后端焦平面产生均匀激光，均匀范围为几十微米量级，均匀度达90％。6.根据权利要求1所述的磁成像装置，其特征在于，所述微波磁场模块在金刚石NV色心区域内产生均匀的微波场与沿NV色心轴的偏置磁场，包括微波场产生部分与静磁场产生部分；其中，所述微波场产生部分包括波源、微波分束器、微波开关、微波合路器、微波放大器和阻抗匹配，通过设计好的微波均匀辐射结构，在金刚石内的NV色心区域内产生均匀的微波场；所述微波均匀辐射结构产生的均匀场的范围为100微米量级，均匀度能够达到95％以上；所述静磁场产生部分通过对称的线圈、大体积永磁铁的装置在NV色心区域产生均匀静
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【专利技术属性】
技术研发人员：郭忠智，王鹏飞，蔡明诚，杜江峰，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：