CN104360152A - 一种基于nv色心金刚石的微波传感器 - Google Patents

一种基于nv色心金刚石的微波传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于NV色心金刚石的新型微波传感器，采用内含氮原子-空位(Nitrogen-Vacancy，NV)色心的金刚石材料作为敏感元件，利用激光实现电子能级激发，并扫描外加静磁场，通过荧光强度检测实现微波频率和强度的测量。本发明发挥了金刚石中NV色心电子拉比振荡对外界微波磁场的依赖性，具有较高的理论精度和较好的稳定性，并且具有体积小、成本低、精度高、温度范围大、操作条件简易等优势，是一种基于固体原子自旋的新型微波传感器，可服务于未来各个领域的低成本高精度的微波频率和强度检测需求。

Description

一种基于NV色心金刚石的微波传感器
技术领域
本发明涉及微波传感器的技术领域，具体涉及一种基于NV色心金刚石的新型微波传感器，对研制新一代基于固体原子自旋效应的微波传感器有着重要的意义和价值，将服务于未来各个领域特别是通信、网络领域的微波频率和场强测量。
背景技术
随着通信行业和网络技术的飞速发展与广泛普及，对于无线通讯、网络连接和雷达收发的需求日益增长，由此对于加工测试过程中对于电子设备的本地振荡器频率、无线通讯基站的主时钟和军用民用卫星雷达通讯系统的信号频率测定和校准提出了更高更多方面的要求。同时人们对于现代生活质量和安全的要求越来越突显，关于手机、电脑对人体辐射检测和监控的需求也提上日程。因此迫切需要能够检测微波频率和强度，尤其是通信、网络领域的无线频率和强度的高精度、低成本、小体积便携式微波传感器。
目前用于测量微波频率和场强的微波传感器的工作原理普遍运用多普勒效应或者微波热效应特性来进行测量。这两种最常用的微波传感器都存在难以日常化、小型化的弊端，多普勒效应微波传感器普遍需要微波接收天线来实现反射回波的测量，而热效应微波传感器也需要热能检测装置。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提出一种基于NV色心金刚石的微波传感器，具有成本低、体积小、精度高、温度范围大、操作条件简易和工作寿命长等特性。本发明还提供了所述基于NV色心金刚石新型微波传感器的基本原理和工作方式。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：
一种基于氮原子-空位(Nitrogen-Vacancy，NV)色心金刚石的新型微波传感器，包括半导体激光器、雪崩光电二极管、环形器和微波探头。所述微波探头包括内嵌NV色心金刚石敏感部件；
所述半导体激光器、雪崩光电二极管和环形器集成于微波传感器外框内。半导体激光器发出的532nm激光通过光纤进入环形器后，经光纤和光纤头到达内嵌NV色心金刚石，从而激发内嵌NV色心电子能级。内嵌NV色心金刚石受激发后由于感受微波磁场，NV色心激发态电子将与微波产生共振并发出600nm-800nm荧光。内嵌NV色心金刚石发出的荧光通过光纤返回环形器，并由荧光光纤到达滤波片滤掉532nm绿色反射激光只让荧光通过。之后荧光到达雪崩光电二极管，通过检测荧光强度的变化实现微波频率和强度的检测。光纤和线圈电源线分别与微波探头连接，线圈电源线通过微波传感器外框与外界电源连接。
所述内嵌NV色心金刚石位于微波探头前端，并与光纤头固连。光纤头与光纤连接进行532nm激光和荧光的传输。内嵌NV色心金刚石远离光纤头的端面覆有介质膜用于反射内嵌NV色心金刚石产生的荧光，并通过光纤头收集。在光纤头和内嵌NV色心金刚石外部缠绕细铜线形成静磁场线圈，静磁场线圈的接线端和接线端连接到线圈电源线用于为静磁场线圈供电产生静磁场。探头末端镀一层介质膜，反射中心波长为637nm。微波探头外框前端开槽形成探测孔以方便微波频率和强度的检测。
所述内嵌NV色心金刚石的大小为200×200×50μm3，内嵌NV色心金刚石中NV色心浓度达1119/cm3。
所述光纤头的横截面尺寸与内嵌NV色心金刚石尺寸配合。
所述内嵌NV色心金刚石远离光纤头的端面覆有介质膜，反射中心波长为637nm。
所述探测孔的横截面直径为500μm。
另外，本发明提供一种基于NV色心金刚石的微波传感器，按照以下工作方法实现微波频率和场强的测量：
利用内嵌NV色心金刚石的电子基态能级随特定频率微波分裂的特性，通过扫描外界静磁场从荧光幅值得到微波磁共振图谱来确定微波频率，最终由NV色心的拉比振荡频率测得外界微波磁场的强度。同时本发明利用光纤传输能够最大范围的实现小体积多方位微波测量。
当半导体激光器发出532nm激光并通过光纤、环形器、光纤和光纤头达到内嵌NV色心金刚石时，532nm激光将NV色心电子基态激发到激发态，同时快速调节线圈电源线内所通的电流来扫描静磁场线圈对内嵌NV色心金刚石产生的静磁场，由于NV色心特有的激发态能级结构，当电子从激发态回落到基态时将发出与基态能级布局数相对应的荧光。此时内嵌NV色心金刚石产生的荧光和反射回来的532nm激光一起经过光纤头和光纤到达环形器，并通过荧光光纤到达滤波片滤得荧光，最终荧光达到雪崩光电二极管。
经过一次静磁场扫描后，雪崩光电二极管接收到扫描范围内的全频率荧光强度，在与外界微波磁场频率共振处的内嵌NV色心金刚石基态能级发生分裂，由外接相应数据处理系统得到荧光频率谱图中荧光强度最低处即为外界微波频率。之后对内嵌NV色心金刚石施加并维持已测量到的外界微波频率对应的静磁场电流，并由雪崩光电二极管持续检测荧光强度变化得到对应拉比振荡曲线，从拉比振荡频率中得到外界微波磁场强度。
本发明的原理：本发明通过利用内嵌NV色心金刚石的固体原子自旋与微波相互作用的原理实现对外界微波频率和强度的测量。NV色心的基态能级为三重态，并且存在2.97GHz的零场分裂，即当外界微波频率为2.97GHz时NV色心电子基态能级将发生分裂。当用532nm激光辐照内嵌NV色心金刚石时，NV色心电子基态将被激发到激发态，由于NV色心特有的激发态能级结构在电子回落到基态时会发出一定强度的荧光。通过扫描外加静磁场可以得到NV色心的电子磁共振谱线亦或超精细能级磁共振谱线，有谱线中荧光最低点即为外界微波频率点。运用超精细耦合作用可以达到0.1MHz的微波频率精确度。在测量出外界微波频率后，还可根据此频率对应的静磁场强度来持续检测微波对荧光强度变化的影响，从而得到拉比振荡谱线。从拉比振荡频率中即可得到外界微波强度。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)、本发明利用内嵌NV色心金刚石固体材料，能够同时测量一定范围内的微波频率和强度，频率精度可达0.1MHz，且可以小体积测量，可有效解决传统微波传感器对于精度和传感器体积的矛盾；
(2)、本发明利用光纤式探头突破了被探测对象距离和尺寸的限制，能够在大范围温度调节下正常工作，寿命长，对操作环境没有严格要求，扩大了系统应用范围。
附图说明
图1为本发明的结构图；
图2为本发明的微波探头侧面剖视图；
图3为本发明的微波探头右视图；
附图标记列示如下：1-微波传感器外框，2-半导体激光器，3-雪崩光电二极管，4-环形器，5-微波探头，6-光纤，7-线圈电源线，8-滤波片，9-激光光纤，10-荧光光纤，11-静磁场线圈，12-介质膜，13-内嵌NV色心金刚石，14-光纤头，15-探测孔，16-第一接线端，17-第二接线端。
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所示，一种基于NV色心金刚石的微波传感器，包括半导体激光器2、雪崩光电二极管3、环形器4和微波探头5。所述微波探头5包括内嵌NV色心金刚石13敏感部件，静磁场线圈11，光纤头14和介质膜12。
半导体激光器2、雪崩光电二极管3和环形器4集成于微波传感器外框1内。半导体激光器2发出的532nm激光通过荧光光纤9进入环形器4后，经光纤6和横截面大小与金刚石配合的光纤头14到达内嵌NV色心金刚石13，从而激发内嵌NV色心电子能级。大小为200×200×50μm3的内嵌NV色心金刚石13受激发后由于感受微波磁场，NV色心激发态电子将与微波产生共振并发出600nm-800nm荧光。内嵌NV色心金刚石13中NV色心浓度达1119/cm3以上亦可制作为单光子源材料。内嵌NV色心金刚石13发出的荧光通过光纤6返回环形器4，并由荧光光纤10到达滤波片8滤掉532nm绿色反射激光只让荧光通过。之后荧光到达雪崩光电二极管3，通过检测荧光强度的变化实现微波频率和强度的检测。光纤6和线圈电源线7分别与微波探头5连接，线圈电源线7通过微波传感器外框1与外界电源连接。
所述内嵌NV色心金刚石13位于微波探头5前端，并与光纤头14固连。光纤头14与光纤6连接进行532nm激光和荧光的传输。内嵌NV色心金刚石13远离光纤头14的端面覆有反射中心波长为637nm的介质膜12用于反射内嵌NV色心金刚石13产生的荧光，并通过光纤头14收集。在光纤头14和内嵌NV色心金刚石13外部缠绕细铜线形成静磁场线圈11，静磁场线圈11的第一接线端16和第二接线端17连接到线圈电源线7用于为静磁场线圈11供电产生静磁场。微波探头5外框前端开槽形成横截面直径为500μm的探测孔15以方便微波频率和强度的检测。
基于NV色心金刚石的新型微波传感器的测量微波频率和场强的工作方法主要是：
利用内嵌NV色心金刚石的电子基态能级随特定频率微波分裂的特性，通过扫描外界静磁场从荧光幅值得到微波磁共振图谱来确定微波频率，最终由NV色心的拉比振荡频率测得外界微波磁场的强度。同时本发明利用光纤传输能够最大范围的实现小体积多方位微波测量。
当半导体激光器2发出532nm激光并通过荧光光纤9、环形器4、光纤6和光纤头14达到内嵌NV色心金刚石13时，532nm激光将NV色心电子基态激发到激发态，同时快速调节线圈电源线7内所通的电流来扫描静磁场线圈11对内嵌NV色心金刚石13产生的静磁场，由于NV色心特有的激发态能级结构，当电子从激发态回落到基态时将发出与基态能级布局数相对应的荧光。此时内嵌NV色心金刚石13产生的荧光和反射回来的532nm激光一起经过光纤头14和光纤6到达环形器4，并通过荧光光纤10到达滤波片9滤得荧光，最终荧光达到雪崩光电二极管3。经过一次静磁场扫描后，雪崩光电二极管3接收到扫描范围内的全频率荧光强度，在与外界微波磁场频率共振处的内嵌NV色心金刚石13基态能级发生分裂，由外接相应数据处理系统得到荧光频率谱图中荧光强度最低处即为外界微波频率。之后对内嵌NV色心金刚石13施加并维持已测量到的外界微波频率对应的静磁场电流，并由雪崩光电二极管3持续检测荧光强度变化得到对应拉比振荡曲线，从拉比振荡频率中得到外界微波磁场强度。
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。尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (6)

1.一种基于NV色心金刚石的微波传感器，其特征在于，包括半导体激光器(2)、雪崩光电二极管(3)、环形器(4)和微波探头(5)，所述微波探头(5)包括内嵌NV色心金刚石(13)敏感部件；
半导体激光器(2)、雪崩光电二极管(3)和环形器(4)集成于微波传感器外框(1)内，半导体激光器(2)发出的532nm激光通过激光光纤(9)进入环形器(4)后，经光纤(6)和光纤头(14)到达内嵌NV色心金刚石(13)，从而激发内嵌NV色心电子能级；内嵌NV色心金刚石(13)受激发后由于感受微波磁场，NV色心激发态电子将与微波产生共振并发出600nm-800nm荧光；内嵌NV色心金刚石(13)发出的荧光通过光纤(6)返回环形器(4)，并由荧光光纤(10)到达滤波片(8)滤掉532nm绿色反射激光只让荧光通过，之后荧光到达雪崩光电二极管(3)，通过检测荧光强度的变化实现微波频率和强度的检测；光纤(6)和线圈电源线(7)分别与微波探头(5)连接，线圈电源线(7)通过微波传感器外框(1)与外界电源连接；
所述内嵌NV色心金刚石(13)位于微波探头(5)前端，并与光纤头(14)固连；光纤头(14)与光纤(6)连接进行532nm激光和荧光的传输；内嵌NV色心金刚石(13)远离光纤头(14)的端面覆有介质膜(12)用于反射内嵌NV色心金刚石(13)产生的荧光，并通过光纤头(14)收集；在光纤头(14)和内嵌NV色心金刚石(13)外部缠绕细铜线形成静磁场线圈(11)，静磁场线圈(11)的第一接线端(16)和第二接线端(17)连接到线圈电源线(7)用于为静磁场线圈(11)供电产生静磁场，微波探头(5)外框前端开槽形成探测孔(12)以方便微波频率和强度的检测。
2.根据权利要求1所述的一种基于NV色心金刚石的微波传感器，其特征在于，所述内嵌NV色心金刚石(13)的大小为200×200×50μm3，内嵌NV色心金刚石中NV色心浓度达1119/cm3以上。
3.根据权利要求1所述的一种基于NV色心金刚石的微波传感器，其特征在于，所述光纤头(14)的横截面尺寸与内嵌NV色心金刚石尺寸配合。
4.根据权利要求1所述的一种基于NV色心金刚石的微波传感器，其特征在于，内嵌NV色心金刚石(13)远离光纤头的端面覆有介质膜，反射中心波长为637nm。
5.根据权利要求1所述的一种基于NV色心金刚石的微波传感器，其特征在于，所述探测孔的横截面直径为500μm。
6.一种如权利要求1至5之一所述的基于NV色心金刚石的微波传感器的测量微波频率和场强的工作方法，其特征在于：
利用内嵌NV色心金刚石的电子基态能级随特定频率微波分裂的特性，通过扫描外界静磁场从荧光幅值得到微波磁共振图谱来确定微波频率，最终由NV色心的拉比振荡频率测得外界微波磁场的强度；
当半导体激光器(2)发出532nm激光并通过激光光纤(9)、环形器(4)、光纤(6)和光纤头(14)达到内嵌NV色心金刚石(13)时，532nm激光将NV色心电子基态激发到激发态，同时快速调节线圈电源线(7)内所通的电流来扫描静磁场线圈(11)对内嵌NV色心金刚石(13)产生的静磁场，由于NV色心特有的激发态能级结构，当电子从激发态回落到基态时将发出与基态能级布局数相对应的荧光，此时内嵌NV色心金刚石(13)产生的荧光和反射回来的532nm激光一起经过光纤头(14)和光纤(6)到达环形器(4)，并通过荧光光纤(10)到达滤波片(8)滤得荧光，最终荧光达到雪崩光电二极管(3)；
经过一次静磁场扫描后，雪崩光电二极管(3)接收到扫描范围内的全频率荧光强度，在与外界微波磁场频率共振处的内嵌NV色心金刚石(13)基态能级发生分裂，由外接相应数据处理系统得到荧光频率谱图中荧光强度最低处即为外界微波频率，之后对内嵌NV色心金刚石(13)施加并维持已测量到的外界微波频率对应的静磁场电流，并由雪崩光电二极管(3)持续检测荧光强度变化得到对应拉比振荡曲线，从拉比振荡频率中得到外界微波磁场强度。
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