金刚石NV色心磁力计及测量磁场的方法技术

本公开涉及一种金刚石NV色心磁力计，包括：低温装置，用于提供稳定的低温环境；支撑装置，设置于低温装置内；具备NV色心的金刚石，设置在支撑装置上；激发光源，设置于低温装置外，激发光源适用于射出波长范围在500nm

【技术实现步骤摘要】
金刚石NV色心磁力计及测量磁场的方法


[0001]本公开涉及磁共振测量
，具体地，涉及一种金刚石NV色心磁力计及测量磁场的方法。

技术介绍

[0002]光探测磁共振(ODMR)是一种基于光学手段的电子自旋磁共振技术，通过该技术可以对晶体缺陷的电子自旋进行光学泵浦以实现初始化和读出。金刚石Nitrogen
‑
Vacancy色心(NV色心)是一种金刚石体内的缺陷结构，具有良好稳定的光学性质。金刚石NV色心中间的电子自旋可以通过光探测磁共振技术进行操控，通过探测金刚石NV色心荧光强度来获得电子所处的自旋状态，利用电子单自旋体系对外界的敏感性，从而获得外界环境的相关属性。基于金刚石NV色心的光探测磁共振技术最早于1997年被德国物理学家Wrachtrup首次实验实现，经过几十年的技术发展，已经被广泛应用于弱磁测量、磁成像、量子传感、磁力计等方面。
[0003]目前基于金刚石NV色心发展的磁测量技术进步迅速，但受限于由于金刚石NV色心在室温下的纵向弛豫时间(T1时间)，为了实现高灵敏度的磁测量，人们需要使用高功率激光来激发金刚石NV色心、磁力线集聚结构等方法，从而弥补金刚石NV色心T1时间造成的灵敏度下降所带来的不足。但在生物传感等领域，强激光功率的使用也限制了金刚石NV色心测磁技术的应用，此外激光功率的增加所带来的灵敏度提升有限，且需要面对金刚石NV色心测磁系统的散热带来的挑战。
[0004]因此可以看出，以上方法额外增加的装置系统阻碍了金刚石NV色心磁探测技术的实用化，也限制了达到金刚石NV色心测磁灵敏度的理论极限。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本公开提供了一种金刚石NV色心磁力计及测量磁场的方法，以解决上述以及其他方面的至少一种技术问题。
[0006]为了实现上述目的，本公开的一个方面，提供了一种金刚石NV色心磁力计，包括：低温装置，用于提供稳定的低温环境；支撑装置，设置于低温装置内；金刚石，设置在支撑装置上，形成有适用于发射荧光的金刚石NV色心；激发光源，设置于低温装置外，激发光源适用于射出波长范围在500nm
‑
550nm范围的激发光，激发光为可极化金刚石NV色心的电子状态的弱光；微波源，适用于向金刚石NV色心发射参考电磁波，以调制金刚石NV色心的电子自旋状态，结合金刚石NV色心附近存在的待测电磁波，进而对金刚石NV色心发射的荧光进行参考电磁波和待测电磁波的混合调制；以及探测模块，适用于根据金刚石NV色心的经调制的荧光的频谱变化获得待测电磁波的信息，从而实现待测电磁波的磁场测量。
[0007]根据本公开的实施例，金刚石NV色心磁力计还包括：辐射组件，安装在支撑装置上，并被构造成基于微波源发射的参考电磁波和待测电磁波产生适用于调制金刚石NV色心的电子自旋状态的微波脉冲；以及信号处理装置，适用于记录由探测模块收集的荧光并对
荧光进行频谱分析，以根据对应于参考电磁波的频移确定待测电磁波的磁场。
[0008]根据本公开的实施例，支撑装置包括：样品台，适用于承载金刚石和辐射组件，样品台通过铜编织带与低温装置连接；以及移动台，适用于驱动所述样品台，以调节金刚石与探测模块的距离。
[0009]根据本公开的实施例，移动台包括：微米平移台，设置于纳米平移台下，用于初步调节金刚石与探测模块的距离；以及纳米平移台，设置于样品台下，用于精细调节金刚石与探测模块的距离。
[0010]根据本公开的实施例，探测模块包括：会聚镜，设置于低温装置内，适用于收集金刚石NV色心的经调制的荧光；二向色镜，适用于反射激发光源发出的激发光和透射金刚石NV色心发出的经调制的荧光；滤光片，适用于透过来自于二向色镜的波长在650nm以上的光；透镜，适用于会聚来自于滤光片的光；以及光电二极管，适用于探测由透镜汇聚的光并输出荧光信号。
[0011]根据本公开的实施例，会聚镜包括抛物面镜或者物镜，抛物面镜用于透过全部的激发光，收集金刚石NV色心的经调制的荧光并将荧光会聚成平行于光轴且射向至二向色镜；物镜用于会聚激发光，并激发金刚石NV色心产生荧光，以满足磁场测量的同时保持一定的空间分辨率测量。光电二极管包括雪崩光电二极管探测器。
[0012]根据本公开的实施例，低温装置提供的温度范围为10K
‑
300K。
[0013]根据本公开的实施例，金刚石的尺寸为1.5mm
×
1mm
×
0.5mm，含氮量为1
‑
10ppm；金刚石形成金刚石NV色心过程中所使用的电子辐射处理的电子辐照的粒子注量为3
×
10
18
/cm2量级。
[0014]根据本公开的实施例，激发光源可以是发光二极管、日光灯、太阳光中的任意之一。
[0015]本公开的另一个方面，提供了一种利用金刚石NV色心磁力计测量磁场的方法，包括：S1：将含有NV色心的金刚石放置于低温装置中样品台上，低温装置使金刚石NV色心的纵向弛豫时间T1得到延长；S2：激发光源对金刚石NV色心施加弱光激发，弱光使所述NV色心在基态和激发态之间跃迁；S3：对金刚石NV色心施加参考微波信号，参考电磁波适用于调制金刚石NV色心中的电子自旋状态，金刚石NV色心附近存在的待测电磁波信号使金刚石NV色心的电子自旋状态发生振荡，进而金刚石NV色心发射的荧光受到参考电磁波和待测电磁波的混合调制；S4：探测模块对金刚石NV色心发射的荧光信号进行收集记录，根据金刚石NV色心发射的荧光信号的频谱变化获得待测电磁波的信息，从而实现待测电磁波的磁场测量。
[0016]根据本公开的上述实施例的金刚石NV色心磁力计及测量磁场的方法中，通过利用低温装置延长金刚石NV色心的纵向弛豫时间T1，以降低极化金刚石NV色心所需要的光功率密度，从而降低了所需要的激光功率，最终达到免激光激发的状态，使得金刚石NV色心可被弱光激发的条件下，也能够根据混合微波脉冲调制金刚石NV色心的荧光强度的原理，实现无需激光激发条件下的高灵敏度的磁场测量，进一步提高了金刚石NV色心磁力计的应用范围。
附图说明
[0017]图1是本公开实施例的金刚石NV色心磁力计的简易示意图；
[0018]图2是本公开另一实施例的金刚石NV色心磁力计的简易示意图；
[0019]图3是本公开实施例的金刚石、样品台及辐射组件之间的位置关系的示意图；
[0020]图4是本公开实施例的利用金刚石NV色心磁力计测量磁场的方法流程图；
[0021]图5是本公开实施例的金刚石NV色心磁力计的激发光功率密度
‑
弛豫速率的示意图；
[0022]图6是本公开实施例的金刚石NV色心磁力计的激发光与混合微波的脉冲序列图；以及
[0023]图7是本公开实施例的金刚石NV色心磁力计的磁场测量的荧光时域图和频域图。
[0024]附图标记说明
[0025]1 低温装置
[0026]2 支撑装置
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种金刚石NV色心磁力计，包括：低温装置(1)，用于提供稳定的低温环境；支撑装置(2)，设置于所述低温装置(1)内；金刚石(3)，设置在所述支撑装置上，形成有适用于发射荧光的金刚石NV色心；激发光源(4)，设置于所述低温装置(1)外，所述激发光源(4)适用于射出波长范围在500nm
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550nm范围的激发光，所述激发光为可极化所述金刚石NV色心的电子状态的弱光；微波源(5)，适用于向所述金刚石NV色心发射参考电磁波，以调制所述金刚石NV色心的电子自旋状态，结合金刚石NV色心附近存在的待测电磁波，进而对所述金刚石NV色心发射的荧光进行参考电磁波和待测电磁波的混合调制；探测模块(6)，适用于根据所述金刚石NV色心的经调制的荧光的频谱变化获得待测电磁波的信息，从而实现待测电磁波的磁场测量。2.根据权利要求1所述的金刚石NV色心磁力计，其中，还包括：辐射组件(7)，安装在所述支撑装置(2)上，并被构造成基于所述微波源(5)发射的参考电磁波和待测电磁波产生适用于调制所述金刚石NV色心的电子自旋状态的微波脉冲；以及信号处理装置，适用于记录由所述探测模块(6)收集的荧光并对荧光进行频谱分析，以根据对应于参考电磁波的频移确定待测电磁波的磁场。3.根据权利要求2所述的金刚石NV色心磁力计，其中，所述支撑装置(2)包括：样品台(21)，适用于承载所述金刚石和所述辐射组件，所述样品台(21)通过铜编织带与所述低温装置(1)连接；以及移动台(22)，适用于驱动所述样品台(21)，以调节所述金刚石(3)与所述探测模块(6)的距离。4.根据权利要求3所述的金刚石NV色心磁力计，其中，所述移动台(22)包括：纳米平移台(222)，设置于所述样品台(21)下，用于精细调节所述金刚石(3)与所述探测模块(6)的距离；以及微米平移台(221)，设置于所述纳米平移台(22)下，用于初步调节所述金刚石(3)与所述探测模块(6)的距离。5.根据权利要求1所述的金刚石NV色心磁力计，其中，所述探测模块(6)包括：会聚镜(61)，设置于所述低温装置(1)内，适用于收集所述金刚石NV色心的经调制的荧光；二向色镜(62)，适用于反射所述激发光源(4)发出的激发光和透射所述金刚石NV色心发出的经调制的荧光；滤光片(63)，适用于透过来自于所述二向色镜(62)的波长在650nm...

【专利技术属性】
技术研发人员：王浩东，赵鹏举，王哲成，孔飞，石发展，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：