CN102185253A

CN102185253A - 单nv色心封装方法和一种单nv色心装置

Info

Publication number: CN102185253A
Application number: CN 201110062644
Authority: CN
Inventors: 祝巍; 王冠中; 刘晓迪; 冯付攀; 尹�民
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2011-03-15
Filing date: 2011-03-15
Publication date: 2011-09-14
Anticipated expiration: 2031-03-15
Also published as: CN102185253B

Abstract

本发明公开了一种单NV色心封装方法和一种单NV色心装置，该方法包括：a)连接三根光纤，使三根光纤之间的光单方向传输，1#光纤连激光器，2#光纤连光谱仪；b)将含有单晶金刚石颗粒的悬浊液滴在3#光纤的端面上，观察3#光纤的端面上是否有单晶金刚石颗粒，是，进入c)，否，重复b)；c)观察光谱仪上是否出现NV色心的典型荧光，有，进入d)，否，进入e)；d)将2#光纤连接至TAC，测反关联函数，判断是否为单NV色心，否，进入e)；e)清洗3#光纤端面上的单晶金刚石颗粒，重复步骤b)。本发明简化了单NV色心的寻找和定位过程，节约了寻找和定位单NV色心的成本，方便了对于单NV色心的研究和应用。

Description

单NV色心封装方法和一种单NV色心装置

技术领域

本发明涉及单NV色心金刚石颗粒的封装技术，尤其涉及一种单NV色心封装方法和一种单NV色心装置。

背景技术

在金刚石晶体中，存在一种由N原子取代C原子的杂质缺陷，当这个杂质缺陷和一个C原子空位相邻时就构成了一个NV色心。单个NV色心具有特殊的电子结构和光跃迁性质，这使它在量子信息、量子计算，以及磁场测量和磁成像等领域有着潜在的重要应用，此外，单个NV色心还是极好的单光子源，具有很高的量子荧光产率，并且在室温下具有很好的稳定性。

利用单个NV色心的前提是能够找到单个NV色心，目前寻找并确认金刚石中的单个NV色心采用的方法是共聚焦显微技术，即利用共聚焦显微系统可以寻找并定位单个NV色心，但是这种方法具有以下几点不足：

1)共聚焦显微系统需要最好的显微成像系统和纳米级的扫描系统，因此必然导致成本高昂；

2)寻找和定位单个NV色心还需要花费大量的时间和人力；

3)共聚焦显微系统不容易移植到像低温、磁场和电场等外场系统中去；

4)采用共聚焦显微技术找到的单个NV色心不能脱离共聚焦显微系统使用；

5)由于共聚焦显微系统的焦点会因为温度、干扰等多种外界因素而漂移，从而导致单个NV色心的定位不稳定；

6)采用共聚焦显微技术同时只能对一个NV色心进行研究，一套共聚焦显微系统只能对应一个或一组色心，一旦更换色心后就很难再找到原先的色心。

基于上述情况，亟需一种低成本且应用方便的单NV色心装置及其制备方法。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种单NV色心封装方法和一种单NV色心装置，解决了现有技术中的问题，达到了低成本且应用方便的目的。

为解决上述问题，本发明实施例提供了如下技术方案：

一种单NV色心封装方法，包括：

a)连接三根光纤，使三根光纤之间的光单方向传输，其中，第一根光纤连接激光器，传输激发光，第二根光纤连接光谱仪；

b)将含有单晶金刚石颗粒的悬浊液滴在第三根光纤的端面上，待溶剂蒸发后观察所述第三根光纤的端面上是否具有单晶金刚石颗粒，如果是，进入步骤c)，否则，重复步骤b)；

c)观察所述光谱仪上是否出现NV色心的典型荧光，如果有，进入步骤d)，否则，进入步骤e)；

d)将第二根光纤连接至时间振幅转换器，通过测试反关联函数，判断所述第三根光纤端面上的NV色心是否为单NV色心，如果是，则完成了单NV色心的封装，否则，进入步骤e)；

e)清洗掉所述第三根光纤端面上的单晶金刚石颗粒，重复步骤b)。

优选的，所述连接三根光纤的方法为：采用光纤耦合器或循环器连接三根光纤。

优选的，所述NV色心的典型荧光具体为波长在600nm-800nm范围内的色心荧光。

优选的，所述NV色心的典型荧光为波长为637nm的色心荧光。

优选的，所述激发光为波长为532nm的激光。

优选的，步骤d)中，将第二根光纤连接至时间振幅转换器的具体方法为，采用一分二的光纤耦合器将所述第二根光纤连接到所述时间振幅转换器上。

优选的，所述单晶金刚石颗粒为纳米级或微米级的单晶金刚石颗粒。

优选的，所述光纤为单模或多模光纤。

优选的，判断所述第三根光纤端面上的NV色心是否为单NV色心的过程具体为：

根据以下关系式判断g(τ)和Δτ的关系：

g^{(2)} (τ) = \frac{< I (τ) I (0) >}{{| < I > |}^{2}}

其中，I(0)和I(τ)分别是时间为0和τ时的荧光强度，I为总体的平均荧光强度，g(τ)为反关联函数，Δτ＝τ-0，为两次测量荧光强度的时间间隔；

当Δτ趋近于0时，g(τ)大于0.5，则判定所述第三根光纤端面上的NV色心为多色心；当Δτ趋近于0时，g(τ)＝0.5，则判定所述第三根光纤端面上的NV色心为两个色心体系；当Δτ趋近于0时，g(τ)趋近于0，则判定所述第三根光纤端面上的NV色心为单色心。

本发明实施例公开了一种单NV色心装置，采用以上所述的单NV色心封装方法制作，包括：

光纤；

封装在光纤端面的具有单NV色心的单晶金刚石颗粒。

与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：

本发明实施例所提供的技术方案，通过将单个NV色心封装在光纤的端面上，整个封装过程中对NV色心的激发和收集均是在光纤中完成的，并不需要采用共聚焦显微系统来寻找单NV色心，从而降低了寻找单NV色心的成本，同时也避免了共聚焦显微系统的各种不足，而且，采用本发明实施例提供的封装方法一旦找到单个NV色心后，即可将其封装在光纤的端面上，由于封装有单NV色心受外界环境影响很小，并且，可通过光纤方便的对该单NV色心进行激发和荧光收集，非常稳定，可永久使用，而且还可将其移植到外界磁场、电场等外场系统中，从而便于后期的性能测试以及其它应用。

并且，本发明实施例中是将单NV色心固定在光纤的端面上，因此可以很方便的更换色心，也可以同时对多个或多组色心进行研究，从而也解决了共聚焦显微系统更换色心后就很难找到原来的色心，使其只能同时对一个或一组色心进行研究的难题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的单NV色心封装方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的三根光纤连接方式示意图；

图3为NV色心的典型荧光图谱；

图4为本发明实施例提供的单NV色心装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

正如背景技术所述，现有技术中采用共聚焦显微系统来寻找定位单个NV色心，但是由于该系统本身的各个特点，使得这种共聚焦显微技术的应用受到限制，并由于这项技术找到的单个NV色心不能脱离共聚焦显微系统使用，不易移植到外场使用，且使用该技术只能同时对一个NV色心进行研究等限制，使得对NV色心的研究和使用受到严重限制，严重制约了单NV色心研究的进展。

光纤在光通讯和光传导方面应用非常广泛，并且光纤也可以用来进行NV色心荧光的收集和传输，于是，发明人考虑，如果能够将单个NV色心固定在光纤端面上，便可以方便的利用单个NV色心进行各种研究，同时还能够避免共聚焦显微系统的各种不足。

基于上述思想，本发明实施例公开了一种单NV色心封装方法，以实现单端封装单NV色心金刚石颗粒的目的。该方法的流程图如图1所示，包括以下步骤：

步骤S11：连接三根光纤，使三根光纤之间的光单方向传输，其中，第一根光纤连接激光器，传输激发光，第二根光纤连接光谱仪；

具体的，如图2所示，使光在每根光纤中单方向传输的具体方法是，可采用光纤耦合器或循环器连接三根光纤，优选为单循环光纤耦合器或循环器，三根光纤分别对应标号1#、2#、3#，所述第一根光纤(即1#光纤)和第二根光纤(即2#光纤)在所述光纤耦合器或循环器的同一端，1#光纤与激光器相连，用于激发光的输入，2#光纤与光谱仪相连，用于NV色心荧光的输出，所述第三根光纤(即3#光纤)在所述光纤耦合器或循环器的另一端，3#光纤的端面可用于封装含有NV色心的单晶金刚石颗粒。

需要说明的是，所述三根光纤的连接方法包括但不仅限于图2所示的连接，三根光纤的连接方式取决于光纤耦合器或循环器的选择，如采用“丁”字形的光纤耦合器或循环器，则三根光纤即为“丁”字形连接，即三根光纤分别位于光纤耦合器或循环器的一边。

所述光纤耦合器或循环器可使光在其里面单方向传输，比如从1#光纤进去的激发光只能向3#光纤位置传输，最终从3#光纤出来，而3#光纤处发出的NV色心荧光只能向2#光纤位置传输，因此，2#光纤处只能接收到NV色心荧光信号，而没有激发光的信号，从而避免了多种光信号传输混乱导致的光谱仪的测量不准确，影响NV色心荧光的判定，使该封装方法得到的结果更准确。

需要说明的是，本实施例中的三根光纤可以选用单模光纤，也可以选用多模光纤，具体包括SiO₂基的玻璃光纤和聚合物光纤，另外，三根光纤的直径可以相同，也可以不同，本实施例中优先采用直径相同的三根单模光纤，光纤直径优选为10μm。

步骤S12：将含有单晶金刚石颗粒的悬浊液滴在第三根光纤的端面上；

需要说明的是，为了便于单NV色心的封装，本实施例中采用的单个金刚石颗粒中最好不超过一个NV色心，因此，本实施例中优先采用的单晶金刚石颗粒可以为纳米级或微米级的单晶金刚石颗粒，并且人工合成的单晶金刚石颗粒和天然生产的单晶金刚石颗粒均可，即所述单晶金刚石颗粒的直径只要在几纳米至数百纳米均可使用。

所述悬浊液的制备方法具体为，先将纳米级单晶金刚石颗粒分散到去离子水中，之后在超声清洗机中进行超声清洗，从而使纳米级单晶金刚石颗粒充分分散以形成悬浊液。本实施例中形成的悬浊液的浓度优选为100mg/L，超声清洗机的功率优选为100W，进行超声清洗的时间优选为30分钟。当然，上述悬浊液的浓度等并不用来限定本发明实施例的保护范围，只要在单NV色心的封装过程中，便于将单晶金刚石颗粒固定在光纤端面上即可。

步骤S13：待溶剂蒸发后观察第三根光纤端面上是否具有单晶金刚石颗粒，如果有，进入步骤S14，否则，重复步骤S12；

该步骤可通过肉眼观察第三根光纤端面上是否具有单晶金刚石颗粒，也可通过放大镜或显微镜进行观察，具体方式的选用以实际情况为准。

步骤S14：所述光谱仪上是否出现NV色心的典型荧光，如果有，进入步骤S15，否则，进入步骤S17；

将含有单晶金刚石颗粒的悬浊液滴在第三根光纤的端面上之后，蒸发溶剂，溶剂蒸发后即可将单晶金刚石颗粒固定在3#光纤端面上，之后，在1#光纤端面上输入激发光，通过在与2#光纤相连的光谱仪上观察一定的波长范围内，是否出现NV色心的典型荧光，可以判断固定在3#光纤端面上的单晶金刚石颗粒是否具有NV色心，如果光谱仪上没有观察到NV色心的典型荧光，则说明3#光纤端面上的单晶金刚石颗粒不包含NV色心，则需清洗掉该单晶金刚石颗粒后，继续将含有单晶金刚石颗粒的悬浊液滴在第三根光纤的端面上，重复该步骤，如果有，则需确定是否该单晶金刚石颗粒是否仅包含一个NV色心。

如图3所示，为NV色心的发光图谱，横坐标表示波长，单位为nm，纵坐标表示相对发光强度，单位可为任意单位(一般以a.u.表示)，从图中可以看出，每一种NV色心只有一个波峰位置，不同的波峰位置对应不同的NV色心，图中标出了NV^-和NV⁰两种不同的NV色心类型，本实施例中仅以NV色心为例进行说明。本实施例中所述的NV色心典型荧光具体为波长在600nm-800nm范围内的色心荧光，优选为波长为637nm左右的零声子线的色心荧光。

因此，为了确定固定在3#光纤端面上的单晶金刚石颗粒是否包含NV色心，需在光谱仪上观察在600nm-800nm波长范围内，是否出现如图3所示的信号，如果有，则说明3#光纤端面上的单晶金刚石颗粒包含NV色心，如果光谱仪上没有信号，则需重复步骤S12和步骤S13。

另外，需要说明的是，所述激发光是指波长小于NV色心荧光的波长，且能够激发NV色心产生荧光的激光，由于本实施例中以NV色心作为研究对象，而NV色心的波峰处波长为637nm，因此本实施例中的激发光波长需小于637nm，优选为532nm，激发光的功率优选为100μw。

根据以上描述可知，图2中所示的3根光纤中，1#光纤需允许通过波长为532nm左右光，以便于传输激发光，2#光纤需允许通过波长为600nm-800nm范围内光，以便于传输NV色心的荧光，3#光纤既要传输激发光也要传输NV色心的荧光，因此它必须能够允许通过波长为500nm-800nm范围内的光。基于此，本发明实施例选用的三根光纤必须满足以上要求方可采用，本实施例中优选为三根直径均为10μm的单模光纤，当然，其它满足条件的光纤也可采用，本实施例不做具体限制。

步骤S15：将第二根光纤连接至时间振幅转换器，测试反关联函数；

在上一步骤中确定固定在3#光纤端面上的单晶金刚石颗粒包含NV色心后，该步骤中需判定该单晶金刚石颗粒中的NV色心是否为单个NV色心，结合图2，具体的，需要将2#光纤连接至时间振幅转换器(time-to-amplitude converter，简称TAC)，通过测试反关联函数g(τ)，判断Δτ趋近于0时，g(τ)的数值，根据判断结果确定3#光纤端面上的NV色心数量。

其中，根据以下关系式判断所述g(τ)和Δτ的关系：

g^{(2)} (τ) = \frac{< I (τ) I (0) >}{{| < I > |}^{2}}

另外，需要说明的是，将2#光纤连接至时间振幅转换器TAC的具体方法有多种，可以采用一分二的光纤耦合器将2#光纤连接到时间振幅转换器上，由于时间振幅转换器本身需要两路输入，一分二的光纤耦合器的作用就是将输入的光平分为两路，但是对于单NV色心的荧光输入来说，同一时间点该单NV色心只会发出一个光子，该光子会随机的输出在某一路中。也就是说，在某一时间点发出的一个光子会随机的输出在某一路中，在下一时间点发出的光子仍然会随机输出，既有可能还在同一路输出，也可能在另一路输出，所述反关联函数就是测这两个时间间隔足够小时是否出现只有一路有输出的情况。

步骤S16：通过测试反关联函数，判断所述第三根光纤端面上的NV色心是否为单NV色心，如果是，则完成了单NV色心的封装，结束该封装过程，否则，进入步骤S17；

通过判断Δτ与g(τ)的关系来判定NV色心类型的方式是一种测量单光子的方法，如上所述，时间振幅转换器测量得到，当Δτ趋近于0时，g(τ)也趋近于0，则说明3#光纤端面上固定的单晶金刚石颗粒为单NV色心，即完成了单NV色心的封装，否则，如果出现其他情况均需重新进行封装。

步骤S17：清洗掉所述第三根光纤端面上的单晶金刚石颗粒，重复步骤S12。

该步骤主要是为了当固定在3#光纤端面上的单晶金刚石颗粒不包含NV色心时，以及3#光纤端面上的单晶金刚石颗粒包含的NV色心不是单NV色心时，去除掉3#光纤端面上的单晶金刚石颗粒，以便重复利用3#光纤进行上述单NV色心的封装过程。具体的，本实施例中采用超声清洗的方式去除掉3#光纤端面上的单晶金刚石颗粒，之后重复将所述悬浊液滴在3#光纤端面，以固定单晶金刚石颗粒的步骤。

另外，在确定封装在第三根光纤端面上的单晶金刚石颗粒是单NV色心后，如果所采用的第三根光纤为SiO₂基的玻璃光纤，则还可采用光学胶将该具有单NV色心的金刚石颗粒进行密封，并在该光纤外面裹上屏蔽层，以对单NV色心进行保护，避免在使用过程中该具有单NV色心的金刚石颗粒脱落；如果所采用的第三根光纤为聚合物光纤，则可以采用加热熔合的方法将第三根光纤端面熔融后，利用光纤将该具有单NV色心的金刚石颗粒包裹起来，之后在该光纤外面裹上屏蔽层，以对该单NV色心进行保护；或者可以直接在第三根光纤外面裹上屏蔽层。但是，具体选用哪种方法，可根据光纤的类型和具体情况进行选择，本实施例不做具体限定。

需要说明的是，本发明实施例公开的整个单NV色心的封装过程均在超净室中完成，避免在封装过程中引入其它杂质，以保证完成封装的单NV色心金刚石颗粒的质量，使其在性能测试及其它应用过程中的测试结果准确。

本发明实施例公开的单NV色心的封装方法，通过将单个NV色心封装在光纤的端面上，整个封装过程中对NV色心的激发和收集均是在光纤中完成的，并不需要采用共聚焦显微系统来寻找单NV色心，从而降低了寻找单NV色心的成本，同时也避免了共聚焦显微系统的各种不足，而且，采用本发明实施例提供的封装方法一旦找到单个NV色心后，即可将其封装在光纤的端面上，由于封装有单NV色心的光纤受外界环境影响很小，并且，可通过光纤方便的对该单NV色心进行激发和荧光收集，非常稳定，可永久使用，而且还可将其移植到外界磁场、电场等外场系统中，从而便于后期的性能测试以及其它应用。

本实施例公开的方法大大简化了单NV色心的寻找和定位过程，避免了共聚焦显微系统的使用，大大节约了寻找和定位单NV色心的成本，同时也方便了对于单NV色心的研究和应用。

本发明另一实施例还提供了一种单NV色心装置，采用上一实施例所述的单NV色心封装方法制作，该装置的结构图如图4所示，包括：

光纤41；

封装在光纤端面的具有单NV色心的单晶金刚石颗粒42；

其中，在光纤的一端输入激发光，在光纤的另一端可接收到单NV色心的荧光。

另外，如果所述光纤为SiO₂基的玻璃光纤，该装置还包括，设置在光纤41的端面处，用于密封单NV色心的光学胶，以及包裹在单NV色心和光纤外的屏蔽层，以保护该单NV色心装置；如果所述光纤为聚合物光纤，该装置还包括，包裹在单NV色心和光纤外的屏蔽层。

本实施例中的单NV色心装置可以应用于量子信息、量子计算，以及磁场测量等领域，方便了对于单NV色心的研究和应用。

本说明书中各个部分采用递进的方式描述，每个部分重点说明的都是与其他部分的不同之处，各个部分之间相同相似部分互相参见即可。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种单NV色心封装方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的单NV色心封装方法，其特征在于，所述连接三根光纤的方法为：采用光纤耦合器或循环器连接三根光纤。

3.根据权利要求1所述的单NV色心封装方法，其特征在于，所述NV色心的典型荧光具体为波长在600nm-800nm范围内的色心荧光。

4.根据权利要求3所述的单NV色心封装方法，其特征在于，所述NV色心的典型荧光为波长为637nm的色心荧光。

5.根据权利要求4所述的单NV色心封装方法，其特征在于，所述激发光为波长为532nm的激光。

6.根据权利要求2所述的单NV色心封装方法，其特征在于，步骤d)中，将第二根光纤连接至时间振幅转换器的具体方法为，采用一分二的光纤耦合器将所述第二根光纤连接到所述时间振幅转换器上。

7.根据权利要求1所述的单NV色心封装方法，其特征在于，所述单晶金刚石颗粒为纳米级或微米级的单晶金刚石颗粒。

8.根据权利要求1所述的单NV色心封装方法，其特征在于，所述光纤为单模或多模光纤。

9.根据权利要求1所述的单NV色心封装方法，其特征在于，判断所述第三根光纤端面上的NV色心是否为单NV色心的过程具体为：

根据以下关系式判断g(τ)和Δτ的关系：

g^{(2)} (τ) = \frac{< I (τ) I (0) >}{{| < I > |}^{2}}

10.一种单NV色心装置，采用权利要求1-10任一项所述的单NV色心封装方法制作，其特征在于，包括：

光纤；

封装在光纤端面的具有单NV色心的单晶金刚石颗粒。