基于磁通量集中增强的金刚石NV色心光纤磁场传感器制造技术

本发明专利技术提出一种基于磁通量集中增强的金刚石NV色心光纤磁场传感器，通过在锥形多模光纤的端面集成微米级尺寸的金刚石，并将金刚石嵌入在一对磁通量集中器的间隙中而构成。磁通量集中器沿对准轴向方向磁通量密度在间隙中达到了均匀增强效果，能够有效地进行增加传感器测试所得磁电转换系数以及测试灵敏度结果。光纤耦合微米级金刚石用于改善该类磁场传感器体积大、不易便携的不足。该发明专利技术制得的传感器灵敏度高、易于便携，且易于制备，可广泛应用于磁场检测的多领域。于磁场检测的多领域。

【技术实现步骤摘要】
基于磁通量集中增强的金刚石NV色心光纤磁场传感器


[0001]本专利技术涉及传感器
，尤其涉及一种基于磁通量集中增强的金刚石NV色心光纤磁场传感器。

技术介绍

[0002]金刚石是一种由碳原子按一定晶格结构排列而成的晶体。NV色心作为金刚石的一种发光点缺陷，它是由金刚石上的一个碳原子被一个氮原子所取代，并且在临近位置上有一个空位，两者相结合即形成金刚石NV色心结构。当NV色心被绿色激光照射时，会发射出红色荧光。施加特定频率的微波可有效对金刚石NV色心量子态调控，此时外界磁场的改变，也会影响量子态和荧光信号强度，通过光探测磁共振的方法可实现对磁场的探测。金刚石NV色心拥有稳定度高、工作温度范围大、尺寸小、具有较长的电子自旋相干时间等优点，不仅具有良好的科学研究价值还表现出广阔的应用前景。
[0003]连续波光探测磁共振方法(CW
‑
ODMR)是一种磁场探测的实现方法，该方法是一种读取NV色心电子自旋态的基本方法。主要实现方式为通过施加连续的激光和微波对NV色心进行电子自旋的相关操控，在磁场探测的过程中，激光、微波的输入以及后续的信号读取都是同步进行的。NV色心的电子自旋能级的基态3A和激发态3E均为自旋三重态，包括自旋投影m
s
＝0的|0>和m
s
＝
±
1的|
±
1>自旋态；在无外界磁场作用时，基态3A的|
±
1>态简并，且与|0>态之间存在大约2.87GHz(处于微波范围)的能级分裂；当有磁场作用时，|
±
1>态由于塞曼效应的而发生劈裂，且劈裂程度与磁场的大小相关，因此通过测量|
±
1>态的劈裂程度可获得外界磁场信息。通过ODMR方法可量化|
±
1>态的劈裂程度，从而实现磁场传感。
[0004]磁通量集中器简称集磁器，通常由高磁导率材料加工成所需对称形状或对称结构进行使用。磁通量集中器沿对准轴向方向磁通量密度在间隙中达到了均匀增强效果，能够有效地进行增加传感器测试所得磁电转换系数以及测试灵敏度结果。目前磁通量集中器在磁场传感方面具有广阔的应用前景。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供一种基于磁通量集中增强的金刚石NV色心光纤磁场传感器，旨在改善传感器在磁场探测的灵敏度不足，增大外部磁场强度，提高磁场的传感性能。
[0006]为此，本专利技术的第一个目的在于提出一种基于磁通量集中增强的金刚石NV色心光纤磁场传感器，包括：金刚石NV色心磁场传感头、贴片式集磁器、微波天线；
[0007]其中，金刚石NV色心磁场传感头是将微米金刚石耦合至多模锥形光纤形成；贴片式磁通量集中器是通过高磁导率材料加工而成的对称形状或对称结构；微波天线为铜线，一端连接电阻，一端连接SMA射频接口；
[0008]其中，金刚石NV色心磁场传感头固定设置于传感器集成模型上方的圆形部分；在圆形部分的中心进行打孔，并在打孔处添加一圈硅胶片；光纤由上至下穿过圆形部分的中心，通过螺丝拧紧施加的压力将硅胶片与光纤贴合并固定；贴片式集磁器固定区域为传感
器集成模型下半部分正方体中间凹槽；凹槽宽度与贴片式磁通量集中器外宽值相同，为3mm；将贴片式磁通量集中器嵌入凹槽中，以使其在凹槽内移动，调整贴片式磁通量集中器到磁场传感头的距离；微波天线固定区域为将微波天线穿过贴片式磁通量集中器的间隙区域，并使用蓝丁胶(压敏型胶粘材料)将微波天线进一步固定；微波天线为0.2mm直径大小的铜线，一端连接阻值为50Ω的电阻，一端连接SMA射频接口。
[0009]其中，金刚石NV色心光纤磁场传感器的制备步骤包括：
[0010]步骤一：制备多模锥形光纤；
[0011]使用光纤钳剥去光纤需要拉锥区域的涂覆层，用棉花蘸取酒精后将残留的涂覆层碎屑擦去，否则火焰会将残留的碎屑点燃并留下一层碳化薄膜，增加损耗；
[0012]将擦拭干净的光纤拉直并固定于拉锥机上，将酒精灯置于光纤已去除涂覆层的区域下方，使其外焰能恰好对该区域进行加热直至光纤成软化状态；
[0013]光纤成软化状态后，使用软件控制拉锥机，对光纤两端施加拉力，直至光纤被拉断，获得锥形光纤；
[0014]步骤二：锥形光纤制备完成后，借助于光学显微镜并通过光学胶粘接的方式将微米级金刚石集成在锥形光纤端面；
[0015]将金刚石颗粒置于擦拭干净的载玻片上，再将该载玻片固定于显微镜的观察平台上；
[0016]用高倍光学显微镜寻找并定位到金刚石颗粒，将锥形光纤尖端粘取紫外胶并固定于显微镜的另一观察平台上进行移动，直到在高倍显微镜下可以观察到锥形光纤尖端对准金刚石颗粒，将二者进行耦合；
[0017]步骤三：使用紫外灯对传感头区域进行照射，直至紫外胶固化完全，传感头制备完成。
[0018]区别于现有技术，本专利技术提供的基于磁通量集中增强的金刚石NV色心光纤磁场传感器，通过在锥形多模光纤的端面集成微米级尺寸的金刚石，并将金刚石嵌入在一对磁通量集中器的间隙中而构成。磁通量集中器沿对准轴向方向磁通量密度在间隙中达到了均匀增强效果，能够有效地进行增加传感器测试所得磁电转换系数以及测试灵敏度结果。光纤耦合微米级金刚石用于改善该类磁场传感器体积大、不易便携的不足。该专利技术制得的传感器灵敏度高、易于便携，且易于制备，可广泛应用于磁场检测的多领域当中。
附图说明
[0019]本专利技术的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0020]图1是本专利技术提供的一种基于磁通量集中增强的金刚石NV色心光纤磁场传感器的结构示意图。
[0021]图2是本专利技术提供的一种基于磁通量集中增强的金刚石NV色心光纤磁场传感器中金刚石的传感头示意图。
[0022]图3是本专利技术提供的一种基于磁通量集中增强的金刚石NV色心光纤磁场传感器中的实验设备示意图。
[0023]图4是本专利技术提供的一种基于磁通量集中增强的金刚石NV色心光纤磁场传感器中
三角形贴片式磁通量集中器外内宽之比影响增强因子的仿真结果图。
[0024]图5是本专利技术提供的一种基于磁通量集中增强的金刚石NV色心光纤磁场传感器中T字形贴片式磁通量集中器外内宽之比影响增强因子的仿真结果图。
[0025]图6是本专利技术提供的一种基于磁通量集中增强的金刚石NV色心光纤磁场传感器中三角形贴片式磁通量集中器厚度变化影响增强系数的仿真结果图。
[0026]图7是本专利技术提供的一种基于磁通量集中增强的金刚石NV色心光纤磁场传感器中T字形贴片式磁通量集中器厚度变化影响增强系数的仿真结果图。
[0027]图8是本专利技术提供的一种基于磁通量集中增强的金刚石NV色心光纤磁场传感器中在使用不同的贴片式磁通量集中器情况下，测试所得传感头在不同磁场变化下的LI
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ODMR本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于磁通量集中增强的金刚石NV色心光纤磁场传感器，其特征在于，包括：金刚石NV色心磁场传感头、贴片式集磁器、微波天线；其中，所述金刚石NV色心磁场传感头是将微米金刚石耦合至多模锥形光纤形成；所述贴片式磁通量集中器是通过高磁导率材料加工而成的对称形状或对称结构；所述微波天线为铜线，一端连接电阻，一端连接SMA射频接口；其中，金刚石NV色心磁场传感头固定设置于传感器集成模型上方的圆形部分；在圆形部分的中心进行打孔，并在打孔处添加一圈硅胶片；光纤由上至下穿过圆形部分的中心，通过螺丝拧紧施加的压力将硅胶片与光纤贴合并固定；贴片式集磁器固定区域为所述传感器集成模型下半部分正方体中间凹槽；凹槽宽度与所述贴片式磁通量集中器外宽值相同，为3mm；将所述贴片式磁通量集中器嵌入凹槽中，以使其在凹槽内移动，调整所述贴片式磁通量集中器到磁场传感头的距离；所述微波天线固定区域为将微波天线穿过贴片式磁通量集中器的间隙区域，并使用蓝丁胶(压敏型胶粘材料)将微波天线进一步固定；微波天线为0.2mm直径大小的铜线，一端连接阻值为50Ω的电阻，一端连接SMA射频接口。2.根据权利要求1所述的基于磁通量集中增强的金刚石NV色心光纤磁场传感器，其特征在于，所述金刚石为微米级金刚石。3.根据权利要求1所述的基于磁通量集中增强的金刚石NV色心光纤磁场传感器，其特征在于，所述多模锥形光纤锥区直径为50
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100μm。4.根据权利要求2所述的基于磁通量集中增强的金刚石NV色心光纤磁场传感器，其特征在于，所述微米级金刚石直径为50
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100μm。5.根据权利要求1所述的基于磁通量集中增强的金刚石NV色心光纤磁场传感器，其特征在于，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：李雨欣，陈耀飞，邵杰，罗云瀚，刘莹莹，刘贵师，陈雷，
申请(专利权)人：暨南大学，
类型：发明
国别省市：