CN103557855B

CN103557855B - 一种色心金刚石陀螺

Info

Publication number: CN103557855B
Application number: CN201310565956.1A
Authority: CN
Inventors: 房建成; 张晨; 张宁; 袁珩
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2013-11-13
Filing date: 2013-11-13
Publication date: 2016-05-25
Anticipated expiration: 2033-11-13
Also published as: CN103557855A

Abstract

本发明涉及一种色心金刚石陀螺，其采用内含高浓度氮原子-空位(NV^-)色心的金刚石材料作为敏感元件，利用光学及微波手段实现电子能级的操控与检测，实现载体角速度的测量。本发明具有室温操作，体积小，成本低廉等优点，相比于现有的MEMS等具有同样定位的陀螺仪来说，它理论灵敏度可更高，同时具有更好的稳定性，对研制新一代基于原子自旋效应的高稳定、小体积的固态原子陀螺仪有着重要的价值，将服务于未来各领域特别是民用低精度领域的惯性导航和测姿系统。

Description

一种色心金刚石陀螺

技术领域

本发明涉及陀螺的技术领域，具体涉及一种色心金刚石陀螺，对研制新一代基于原子自旋效应的高精度、高稳定、小体积的固态原子陀螺仪有着重要的价值，将服务于未来民用及军用各领域的小型低成本惯性导航和姿态测量系统。

背景技术

随着微电子机械加工技术的不断进步，以MEMS陀螺为代表的一类低成本陀螺仪开始进入人们生活的每个角落，从手机、平板电脑到汽车等人们的日常生活用品中开始越来越多的用到了利用陀螺仪的姿态测量及惯性导航系统。另外，在国防技术方面，需要更多的低成本但仍保持一定精度的陀螺仪应用于各类战术武器平台和弹药中，采用体积更小、成本更低的陀螺仪代替目前价格相对来说仍然较贵的光学陀螺仪。

目前惯性导航系统使用的各类陀螺仪中，激光陀螺和光纤陀螺漂移可达0.001°/h，但单个陀螺仪成本在数十万；MEMS陀螺仪成本仅几百元，灵敏度可做到0.05°/h^1/2，但是漂移通常为几度甚至十几度每小时，几分钟之内就不能继续用于惯性导航。因此目前急需探索具有MEMS陀螺仪的成本和光学陀螺仪精度的新型陀螺仪。随着原子光子领域的重大科学发现与技术突破，目前国内外都在探索基于量子力学的原子陀螺仪，主要包括核磁共振陀螺仪、无自旋交换弛豫(SERF)原子自旋陀螺仪、冷原子干涉陀螺仪，以期在使现有陀螺仪各方面性能有重大提升。

目前研究中的原子陀螺仪多基于气体原子，由气体原子间相互碰撞以及气体原子与原子气室壁相互碰撞而引发的弛豫难以克服，而采用光学方法测量使得原子气室的制作工艺成为限制此类陀螺仪理论精度提高的关键因素。采用固体材料利用其中的原子自旋进行惯性测量则可以避免因碰撞而产生的弛豫，另外固体材料可以提升材料中原子自旋密度，从而提高信噪比。

近年来，内含NV^-色心的金刚石材料在量子计算、量子测量等领域的应用不断引起研究人员的关注。采用NV^-色心中的电子自旋与核自旋可以实现空间旋转的测量。通过离子辐照后的金刚石材料中的NV^-色心可达10¹⁸cm^-3的密度，通过微波和射频场实现核自旋的极化，利用核自旋旋磁比小的特点，可以有效的降低磁场、温度波动、材料表面张力等引入的误差，大大提高陀螺的稳定性指标。利用核自旋和电子自旋之间的耦合作用，可将核自旋布居数写入电子自旋布居数，从而实现高效读出。利用NV^-色心氮原子核自旋进行惯性测量，可实现随机游走优于0.05°/h^1/2mm³的高稳定性固体原子陀螺仪，同时具有小体积、低成本的特点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提出一种基于金刚石内NV^-色心氮原子核自旋的色心金刚石陀螺，具有可比拟于MEMS陀螺的成本，同时具有接近光学陀螺仪的精度。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种色心金刚石陀螺，其特征在于：分为样品腔、激光腔和探测腔三个部分；其中：

所述的样品腔中包括高浓度氮原子-空位(NV^-)色心金刚石材料作为核心敏感元件，材料中NV^-色心浓度达10¹⁸/cm³以上，厚度大于150μm，尺寸大于1×1mm²，粘接于玻璃基底上，其位置位于第一RF线圈和微波天线的中心处，RF线圈是由第一RF线圈和微波天线两个线圈组成的赫姆赫兹线圈，玻璃基底粘接于镜面上，后者镀多层介质膜用以反射637nm波长的荧光，包括4块高灵敏面阵CCD用于检测637nm荧光，每一块面阵CCD前均粘接一块滤波片，该滤波片可透过637nm荧光，截止波长大于532nm，第一RF线圈粘接与镜面的内表面，而第二RF线圈粘接于一块平凸透镜的表面，该透镜的焦点聚焦于色心金刚石材料放置位置中心略靠后的位置，使532nm激光会聚照射在色心金刚石材料中心处1mm直径的圆上，色心金刚石材料的周围为由直径20μm铜线组成的微波天线，微波天线加工于玻璃基底上，其底部为正方形，在色心金刚石材料中间区域处产生均匀的微波场；

所述的激光腔包括一个垂直腔面发射半导体激光器（VCSEL激光器），发出的532nm激光通过底面的偏振窗口入射至腔内的二向色镜上，偏振窗口内嵌一个偏振镜；二向色镜呈45度放置粘接于激光腔内，532nm激光入射后反射至样品腔中，从样品腔中发出的荧光入射到二向色镜后投射进入探测腔中；

所述的探测腔包括滤波片，会聚透镜和第五高灵敏面阵CCD，滤波片截止波长大于532nm可阻断532nm光同时透过637nm光；会聚透镜将637nm荧光会聚于焦面，即第五高灵敏面阵CCD所在位置处，第五高灵敏面阵CCD在637nm附近具有响应峰值。

其中，利用VCSEL激光器的偏振特性实现激光的快速开关，根据激光时序调整输入VCSEL激光器的输入电流，使其输出激光的偏振方向发生变化，从而使得通过偏振窗口的激光强度发生变化，实现激光脉冲时序的产生。

其中，使用时按照以下时序完成一次角速度的测量：

（1）、初始化阶段：启动电源，输出一个激光脉冲初始化NV^-色心电子自旋；通过微波天线输入一个微波脉冲初始化NV^-色心氮原子核自旋，微波频率约等于2.87GHz，脉冲时间t_pol=1.5μs；再次输入一个激光脉冲重新初始化NV^-色心电子自旋；

（2）、测量阶段：输入射频磁场脉冲，脉冲频率4.95MHz，脉冲时长为半个核自旋的拉比振荡周期即π脉冲；让体系自由演化t_m时间，t_m小于NV^-色心氮原子核自旋的横向弛豫时间T₂；再输入一个时长为π射频磁场脉冲；

（3）、读出阶段：输入微波脉冲，脉冲时长为半个NV^-色心电子自旋的拉比振荡周期即π脉冲；第一个脉冲后间隔时间t_i=1/2A再输入一个π脉冲，A为电子自旋与核自旋的耦合系数，为2.2MHz；输入微波脉冲后输入一个激光脉冲进行电子自旋的检测，读出信号。

本发明的原理：本发明通过对金刚石内NV^-色心自旋在空间旋转时产生的几何相进行检测实现转动角速度的测量。其基本原理为：利用532nm激光将NV^-色心电子自旋极化，使电子自旋初始化至自旋S=0的态。通过施加频率约为2.88GHz的微波，利用双光子跃迁，实现自旋态从电子自旋到核自旋的传递。当金刚石样品在空间中发生旋转时，被极化的核自旋在Ramsey序列下将发生几何相的积累。通过一组微波序列作用可以实现核自旋能量和电子自旋能量的交换，从而将核自旋布居转移为电子自旋的布居。利用532nm激光照射可将电子自旋从基态激发，此时自旋S=0态的电子从激发态落回基态时发出的荧光多于自旋S=1态的电子发出的荧光，利用该效应即可实现电子自旋布居数的检测，从而可得到核自旋布居及几何相位的大小，进而可获得色心NV轴绕旋转轴的角速度。

关于利用几何相测量NV轴绕旋转轴旋转角速度的基本原理为：考虑一个量子体系，其哈密顿量依赖于磁场，依周期演化，体系的量子态随时间的演化遵守含时薛定谔方程，在满足绝热定理的条件下，相位按时间演化的结果中存在一个绝热相，该绝热相不依赖于以磁场为参量的路径如何行走，称为Berry几何相。利用斯托克斯定理化为路径积分为参数空间中的面积分，形式上，可获得与磁矢势有关的表达式，则绝热相的内涵即为以磁场矢量端点划出的路径为边界的曲面的磁通量，对应于磁场转过的立体角的大小。基于Berry几何相的色心金刚石陀螺即检测此立体角大小获得载体旋转引起的陀螺惯性信号。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）、本发明相比于以气态原子为敏感元的原子自旋陀螺，基于色心金刚石内NV^-色心核自旋的色心金刚石陀螺，采用固体材料中的原子自旋作为敏感元，可以使单位体积内敏感原子数目提高了4至5个数量级，可有效提高检测信噪比，同时缩小元件体积；

（2）、本发明利用旋磁比小的氮原子核自旋进行敏感，能有效抑制磁场噪声，相比于利用电子自旋的惯性测量装置，提高了信噪比；

（3）、本发明对操作温度没有要求，所有测量可以在室温下进行。

附图说明

图1为本发明的结构图正视图；

图2为本发明的结构图俯视图；

图3为本发明的微波天线结构图；

图4为本发明的操作时序图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

如图1和图2所示的一种色心金刚石陀螺，分为样品腔17、激光腔18和探测腔19三个部分。

样品腔17中包括高浓度氮原子-空位(NV^-)色心金刚石材料1作为核心敏感元件，材料中NV^-色心浓度达10¹⁸/cm³以上，厚度大于150μm，尺寸大于1×1mm²，粘接于玻璃基底2上，其位置位于RF线圈3和微波天线9的中心处，RF线圈是由RF线圈3和微波天线9两个线圈组成的赫姆赫兹线圈。玻璃基底2粘接于镜面4上，后者镀多层介质膜用以反射637nm波长的荧光。包括4块高灵敏面阵CCD5、6、7、8用于检测637nm荧光，每一块面阵CCD前均粘接一块滤波片，该滤波片可透过637nm荧光，截止波长大于532nm。RF线圈3粘接与镜面4的内表面，而RF线圈10粘接于一块平凸透镜11的表面，该透镜的焦点聚焦于色心金刚石材料1放置位置中心略靠后的位置，使532nm激光会聚照射在色心金刚石材料1中心处1mm直径的圆上。色心金刚石材料1的周围为由直径20μm铜线组成的微波天线9，微波天线9加工于玻璃基底2上，其底部为正方形，在色心金刚石材料1中间区域处产生均匀的微波场，如图3所示。

激光腔18包括一个垂直腔面发射半导体激光器（VCSEL激光器）13，发出的532nm激光通过底面的偏振窗口20入射至腔内的二向色镜12上，偏振窗口20内嵌一个偏振镜；二向色镜12呈45度放置粘接于激光腔18内，532nm激光入射后反射至样品腔17中，从样品腔17中发出的荧光入射到二向色镜12后投射进入探测腔19中。利用VCSEL激光器13的偏振特性实现激光的快速开关。根据激光时序调整输入VCSEL激光器13的输入电流，使其输出激光的偏振方向发生变化，从而使得通过偏振窗口20的激光强度发生变化，实现激光脉冲时序的产生。

探测腔19包括滤波片14，会聚透镜15和高灵敏面阵CCD16。滤波片截止波长大于532nm可阻断532nm光同时透过637nm光；会聚透镜15将637nm荧光会聚于焦面，即高灵敏面阵CCD16所在位置处。高灵敏面阵CCD16在637nm附近具有响应峰值。

具体实施例：

一种色心金刚石陀螺的具体实施方式为：激光腔18包括一个VECSEL激光器13，发出的532nm激光通过底面的偏振窗口20入射至腔内的二向色镜12上，偏振窗口20内嵌一个偏振镜；通过调整激光器的输入电流控制VECSEL激光器输出激光的偏振方向，通过偏振方向的旋转控制激光通过偏振镜后的通断；通过偏振镜的激光入射到呈45度放置粘接于激光腔18内的二向色镜12上，532nm激光将反射后通过平凸透镜11入射至样品腔17中；平凸透镜11将激光聚焦于色心金刚石材料1上，对金刚石中的NV^-色心进行激发，进行色心自旋的初始化以及自旋布居数的荧光检测；NV^-色心自旋被激发后将产生波长637nm的荧光向四周发射，其中射向底面的荧光被镜面4反射，由高灵敏面阵CCD5、6、7、8接受检测，或通过平凸透镜11后再透过二向色镜12射向探测腔19中；射向探测腔的荧光通过滤波片截止波长为532nm激光的滤波片14后再通过会聚透镜15聚焦于高灵敏面阵CCD16上。

RF线圈3和U型微波天线9中保持输入偏置电流使得色心金刚石材料1处感受到一个10G的均匀磁场，提供极化偏置场实现电子自旋的极化；外围电路控制U型微波天线9输入微波脉冲，频率为2.88GHz，实现电子自旋能量和核自旋能量的交换，极化核自旋；然后在外围电路控制下由RF线圈3和U型微波天线9输入RF脉冲信号，RF频率为4.95MHz，控制NV^-色心核自旋翻转，输入Ramsey序列实现惯性测量；然后外围电路再次通过U型微波天线控制输入微波脉冲将核自旋布居转写为电子自旋布居。

一种色心金刚石陀螺在其实施操作时，如图4所示，按照以下时序进行：

初始化阶段：启动电源，输出一个激光脉冲初始化NV^-色心电子自旋；通过微波天线9输入一个微波脉冲初始化NV^-色心氮原子核自旋，微波频率约等于2.87GHz，脉冲时间t_pol=1.5μs；再次输入一个激光脉冲重新初始化NV^-色心电子自旋。

测量阶段：输入射频磁场脉冲，脉冲频率4.95MHz，脉冲时长为半个核自旋的拉比振荡周期即π脉冲；让体系自由演化t_m时间，t_m小于NV^-色心氮原子核自旋的横向弛豫时间T₂；再输入一个时长为π射频磁场脉冲。

读出阶段：输入微波脉冲，脉冲时长为半个NV^-色心电子自旋的拉比振荡周期即π脉冲；第一个脉冲后间隔时间t_i=1/2A再输入一个π脉冲，A为电子自旋与核自旋的耦合系数，为2.2MHz；输入微波脉冲后输入一个激光脉冲进行电子自旋的检测，读出信号。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims

1.一种色心金刚石陀螺，其特征在于：分为样品腔(17)、激光腔(18)和探测腔(19)三个部分；其中：

所述的样品腔(17)中包括高浓度氮原子-空位(NV^-)色心金刚石材料(1)作为核心敏感元件，材料中NV^-色心浓度达10¹⁸/cm³以上，厚度大于150μm，尺寸大于1×1mm²，粘接于玻璃基底(2)上，其位置位于第一RF线圈(3)和微波天线(9)的中心处，RF线圈是由第一RF线圈(3)和微波天线(9)两个线圈组成的赫姆赫兹线圈，玻璃基底(2)粘接于镜面(4)上，后者镀多层介质膜用以反射637nm波长的荧光，所述的样品腔(17)还包括4块高灵敏面阵CCD(5、6、7、8)，该4块高灵敏面阵CCD用于检测637nm荧光，该4块高灵敏面阵CCD在高浓度氮原子-空位(NV^-)色心金刚石材料(1)四周，每一块面阵CCD前均粘接一块滤波片，该滤波片可透过637nm荧光，截止波长大于532nm，第一RF线圈(3)粘接于镜面(4)的内表面，而第二RF线圈(10)粘接于一块平凸透镜(11)的表面，该透镜的焦点聚焦于色心金刚石材料(1)放置位置中心略靠后的位置，使532nm激光会聚照射在色心金刚石材料(1)中心处1mm直径的圆上，色心金刚石材料(1)的周围为由直径20μm铜线组成的微波天线(9)，微波天线(9)加工于玻璃基底(2)上，微波天线(9)的底部为正方形，在色心金刚石材料(1)中间区域处产生均匀的微波场；

所述的激光腔(18)包括一个垂直腔面发射半导体激光器即VCSEL激光器(13)，发出的532nm激光通过底面的偏振窗口(20)入射至腔内的二向色镜(12)上，偏振窗口(20)内嵌一个偏振镜；二向色镜(12)呈45度放置粘接于激光腔(18)内，532nm激光入射后反射至样品腔(17)中，从样品腔(17)中发出的荧光入射到二向色镜(12)后投射进入探测腔(19)中；

所述的探测腔(19)包括滤波片(14)，会聚透镜(15)和第五高灵敏面阵CCD(16)，滤波片截止波长大于532nm，可阻断532nm光同时透过637nm光；会聚透镜(15)将637nm荧光会聚于焦面，即第五高灵敏面阵CCD(16)所在位置处，第五高灵敏面阵CCD(16)在637nm附近具有响应峰值。

2.根据权利要求1所述的色心金刚石陀螺，其特征在于利用VCSEL激光器(13)的偏振特性实现激光的快速开关，根据激光时序调整输入VCSEL激光器(13)的输入电流，使其输出激光的偏振方向发生变化，从而使得通过偏振窗口(20)的激光强度发生变化，实现激光脉冲时序的产生。

3.根据权利要求1所述的色心金刚石陀螺，其特征在于，使用时按照以下时序完成一次角速度的测量：

(1)、初始化阶段：启动电源，输出一个激光脉冲初始化NV^-色心电子自旋；通过微波天线(9)输入一个微波脉冲初始化NV^-色心氮原子核自旋，微波频率约等于2.87GHz，脉冲时间t_pol＝1.5μs；再次输入一个激光脉冲重新初始化NV^-色心电子自旋；

(2)、测量阶段：输入射频磁场脉冲，脉冲频率4.95MHz，脉冲时长为半个核自旋的拉比振荡周期即π脉冲；让体系自由演化t_m时间，t_m小于NV^-色心氮原子核自旋的横向弛豫时间T₂；再输入一个时长为π射频磁场脉冲；

(3)、读出阶段：输入微波脉冲，脉冲时长为半个NV^-色心电子自旋的拉比振荡周期即π脉冲；第一个脉冲后间隔时间t_i＝1/2A再输入一个π脉冲，A为电子自旋与核自旋的耦合系数，为2.2MHz；输入微波脉冲后输入一个激光脉冲进行电子自旋的检测，读出信号。