CN105137126A - 一种新型氮空位色心金刚石的扫描磁强计 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微弱磁场信息测量技术，具体是一种新型氮空位色心金刚石的扫描磁强计。本发明解决了现有微弱磁场信息测量工具测量灵敏度低、适用范围受限的问题。一种新型氮空位色心金刚石的扫描磁强计，包括原子力显微镜系统和光学检测磁信息系统；所述原子力显微镜系统包括超高真空腔体、扫描筒、氮空位色心金刚石探针、670nm波长激光器、四象限光电二极管探测器、锁相环、自动增益控制回路、压电陶瓷、50Ω电阻、反馈控制回路、锁相放大器、载波器、表面形貌信息输出端口、磁信息输出端口。本发明适用于微弱磁场信息的测量。
Description
技术领域
本发明涉及微弱磁场信息测量技术，具体是一种新型氮空位色心金刚石的扫描磁强计。
背景技术
微弱磁场信息的测量在国民经济、科学技术、军事和医疗等领域发挥着重要作用。在现有技术条件下，能够实现微弱磁场信息测量的工具主要包括：基于单个自旋的扫描磁场显微镜、利用气相碱性原子的光磁强计、自旋极化扫描隧道显微镜（SP-STM）、磁交换力显微镜（MExFM）。实践表明，上述各种微弱磁场信息测量工具由于自身结构所限，存在如下问题：其一，基于单个自旋的扫描磁场显微镜自身存在自旋对局域环境的强耦合效应，此种强耦合效应会限制自由旋进（procession）时间，由此导致测量灵敏度低。其二，利用气相碱性原子的光磁强计仅适用于微米、毫米或者飞米特斯拉级的微弱磁场信息测量，由此导致其适用范围受限。其三，自旋极化扫描隧道显微镜（SP-STM）和磁交换力显微镜（MExFM）仅能够测量恒定的微弱磁场信息，而无法实时测量微弱磁场信息的变化，由此同样导致其适用范围受限。基于此，有必要发明一种全新的微弱磁场信息测量工具，以解决现有微弱磁场信息测量工具测量灵敏度低、适用范围受限的问题。
发明内容
本发明为了解决现有微弱磁场信息测量工具测量灵敏度低、适用范围受限的问题，提供了一种新型氮空位色心金刚石的扫描磁强计。
本发明是采用如下技术方案实现的：一种新型氮空位色心金刚石的扫描磁强计，包括原子力显微镜系统和光学检测磁信息系统；
所述原子力显微镜系统包括超高真空腔体、扫描筒、氮空位色心金刚石探针、670nm波长激光器、四象限光电二极管探测器、锁相环、自动增益控制回路、压电陶瓷、50Ω电阻、反馈控制回路、锁相放大器、载波器、表面形貌信息输出端口、磁信息输出端口；
所述光学检测磁信息系统包括20μm直径的铜线、微波发生器、微波开关、射频发生器、射频开关、物镜、第一反射镜、532nm波长激光器、第二反射镜、雪崩光电二极管、磁场线圈、磁场发生器、现场可编程逻辑门阵列；
其中，扫描筒、氮空位色心金刚石探针、670nm波长激光器、四象限光电二极管探测器、压电陶瓷、50Ω电阻均位于超高真空腔体内；氮空位色心金刚石探针的针尖位于扫描筒的台面正上方；670nm波长激光器的出射端与氮空位色心金刚石探针的针尖斜对；四象限光电二极管探测器的入射端与氮空位色心金刚石探针的针尖斜对；锁相环的信号输入端与四象限光电二极管探测器的信号输出端连接；自动增益控制回路的信号输入端与锁相环的信号输出端连接；压电陶瓷与氮空位色心金刚石探针的针尾固定，且压电陶瓷的信号输入端与自动增益控制回路的信号输出端连接；50Ω电阻的一端接地，另一端与氮空位色心金刚石探针的针尾连接；反馈控制回路的信号输入端与锁相环的信号输出端连接；反馈控制回路的信号输出端与扫描筒的信号输入端连接；锁相放大器的信号输入端与锁相环的信号输出端连接；载波器的信号输出端与锁相放大器的信号输入端连接；表面形貌信息输出端口与反馈控制回路的信号输出端连接；磁信息输出端口与锁相放大器的信号输出端连接；
微波开关的一端与微波发生器的信号输出端连接，另一端通过20μm直径的铜线与扫描筒的台面搭接；射频开关的一端与射频发生器的信号输出端连接，另一端通过20μm直径的铜线与扫描筒的台面搭接；物镜的上出射端与扫描筒的台面正对；第一反射镜的上出射端与物镜的下入射端正对；第一反射镜的下入射端与物镜的下出射端正对；532nm波长激光器的出射端与第一反射镜的上入射端正对；第二反射镜的入射端与第一反射镜的下出射端正对；雪崩光电二极管的入射端与第二反射镜的出射端正对；雪崩光电二极管的信号输出端与反馈控制回路的信号输入端连接；磁场线圈与扫描筒的台面斜对；磁场发生器的信号输出端与磁场线圈的信号输入端连接；现场可编程逻辑门阵列的信号输出端分别与反馈控制回路的控制端、微波开关的控制端、射频开关的控制端、532nm波长激光器的控制端、磁场发生器的控制端连接。
工作时，如图1所示，将含氮空位色心金刚石的样品均匀涂抹于扫描筒的台面上，压电陶瓷驱动氮空位色心金刚石探针进行恒幅高频振动，670nm波长激光器向氮空位色心金刚石探针表面发射激光，激光由氮空位色心金刚石探针反射至四象限光电二极管探测器。具体工作过程如下：将氮空位色心金刚石探针的针尖逐渐靠近样品表面，由于氮空位色心金刚石探针与样品之间的磁交换作用力作用和原子间短程化学力作用，氮空位色心金刚石探针的振动频率发生微小偏移，激光投射到四象限光电二极管探测器的位置随之发生变化。根据激光投射到四象限光电二极管探测器的位置变化，四象限光电二极管探测器检测出氮空位色心金刚石探针的振动频率偏移，并将振动频率偏移信号发送至锁相环。当进行样品表面形貌信息的测量时，现场可编程逻辑门阵列控制反馈控制回路进行打开。锁相环根据振动频率偏移信号生成两路控制信号，并将其中一路控制信号通过自动增益控制回路发送至压电陶瓷，使得氮空位色心金刚石探针保持恒幅高频振动，同时将另一路控制信号通过反馈控制回路发送至扫描筒，对扫描筒进行反馈控制，使得氮空位色心金刚石探针与样品的相互作用力梯度保持恒定。此时，振动频率偏移信号通过反馈控制回路输出，即测得样品的表面形貌信息。样品的表面形貌信息通过表面形貌信息输出端口即可输出。当进行样品表面自旋磁信息的测量时，现场可编程逻辑门阵列分别控制反馈控制回路、微波开关进行打开。微波发生器发出的微波信号依次通过微波开关、20μm直径的铜线施加于样品表面。此时，改变微波信号的频率，使得氮空位色心金刚石探针与样品之间的磁交换作用力随着微波信号频率的变化而发生变化。当微波信号频率与氮空位色心金刚石探针的固有共振频率一致时，氮空位色心金刚石探针在微波信号的作用下发生铁磁共振效应。此时，锁相环将振动频率偏移信号发送至锁相放大器，锁相放大器提取出振动频率偏移信号中的振幅信息和相位信息，即测得样品的表面自旋磁信息。样品的表面自旋磁信息通过磁信息输出端口即可输出。当进行微弱磁场测量时，现场可编程逻辑门阵列分别控制反馈控制回路、微波开关、射频开关、532nm波长激光器、磁场发生器进行打开。磁场发生器控制磁场线圈进行接通，磁场线圈对样品施加恒定的微弱磁场，532nm波长激光器发出的激光依次经第一反射镜进行反射、物镜进行聚焦后照射到样品表面，由此将样品中的氮空位色心激发。此时，微波发生器发出的微波信号依次通过微波开关、20μm直径的铜线施加于氮空位色心上，射频发生器发出的射频信号依次通过射频开关、20μm直径的铜线施加于氮空位色心上，使得氮空位色心的基态发生分裂，由此使得样品发出荧光光束。该荧光光束依次经物镜进行发散、第二反射镜进行反射后被雪崩光电二极管收集读出。雪崩光电二极管将读出结果发送至反馈控制回路。反馈控制回路对读出结果进行图像化处理，即测得微弱磁场信息。微弱磁场信息通过磁信息输出端口即可输出（当微弱磁场发生变化时，样品发出的荧光光束随之发生变化，微弱磁场信息同样随之发生变化）。
基于上述过程，与现有微弱磁场信息测量工具相比，本发明所述的一种新型氮空位色心金刚石的扫描磁强计通过采用全新结构，具备了如下优点：其一，与基于单个自旋的扫描磁场显微镜相比，本发明所述的一种新型氮空位色心金刚石的扫描磁强计不存在自旋对局域环境的强耦合效应，由此消除了强耦合效应对自由旋进（procession）时间的限制，从而大幅提高了测量灵敏度。其二，与利用气相碱性原子的光磁强计相比，本发明所述的一种新型氮空位色心金刚石的扫描磁强计不仅适用于微米、毫米或者飞米特斯拉级的微弱磁场信息测量，而且适用于其它各种级别的微弱磁场信息测量，由此大幅拓宽了适用范围。其三，与自旋极化扫描隧道显微镜（SP-STM）和磁交换力显微镜（MExFM）相比，本发明所述的一种新型氮空位色心金刚石的扫描磁强计不仅能够测量恒定的微弱磁场信息，而且能够实时测量微弱磁场信息的变化，由此同样大幅拓宽了适用范围。
本发明结构合理、设计巧妙，有效解决了现有微弱磁场信息测量工具测量灵敏度低、适用范围受限的问题，适用于微弱磁场信息的测量。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图中：1-扫描筒，2-氮空位色心金刚石探针，3-670nm波长激光器，4-四象限光电二极管探测器，5-锁相环，6-自动增益控制回路，7-压电陶瓷，8-50Ω电阻，9-反馈控制回路，10-锁相放大器，11-载波器，12-表面形貌信息输出端口，13-磁信息输出端口，14-20μm直径的铜线，15-微波发生器，16-微波开关，17-射频发生器，18-射频开关，19-物镜，20-第一反射镜，21-532nm波长激光器，22-第二反射镜，23-雪崩光电二极管，24-磁场线圈，25-磁场发生器，26-现场可编程逻辑门阵列，27-含氮空位色心金刚石的样品。
具体实施方式
一种新型氮空位色心金刚石的扫描磁强计，包括原子力显微镜系统和光学检测磁信息系统；
所述原子力显微镜系统包括超高真空腔体、扫描筒1、氮空位色心金刚石探针2、670nm波长激光器3、四象限光电二极管探测器4、锁相环5、自动增益控制回路6、压电陶瓷7、50Ω电阻8、反馈控制回路9、锁相放大器10、载波器11、表面形貌信息输出端口12、磁信息输出端口13；
所述光学检测磁信息系统包括20μm直径的铜线14、微波发生器15、微波开关16、射频发生器17、射频开关18、物镜19、第一反射镜20、532nm波长激光器21、第二反射镜22、雪崩光电二极管23、磁场线圈24、磁场发生器25、现场可编程逻辑门阵列26；
其中，扫描筒1、氮空位色心金刚石探针2、670nm波长激光器3、四象限光电二极管探测器4、压电陶瓷7、50Ω电阻8均位于超高真空腔体内；氮空位色心金刚石探针2的针尖位于扫描筒1的台面正上方；670nm波长激光器3的出射端与氮空位色心金刚石探针2的针尖斜对；四象限光电二极管探测器4的入射端与氮空位色心金刚石探针2的针尖斜对；锁相环5的信号输入端与四象限光电二极管探测器4的信号输出端连接；自动增益控制回路6的信号输入端与锁相环5的信号输出端连接；压电陶瓷7与氮空位色心金刚石探针2的针尾固定，且压电陶瓷7的信号输入端与自动增益控制回路6的信号输出端连接；50Ω电阻8的一端接地，另一端与氮空位色心金刚石探针2的针尾连接；反馈控制回路9的信号输入端与锁相环5的信号输出端连接；反馈控制回路9的信号输出端与扫描筒1的信号输入端连接；锁相放大器10的信号输入端与锁相环5的信号输出端连接；载波器11的信号输出端与锁相放大器10的信号输入端连接；表面形貌信息输出端口12与反馈控制回路9的信号输出端连接；磁信息输出端口13与锁相放大器10的信号输出端连接；
微波开关16的一端与微波发生器15的信号输出端连接，另一端通过20μm直径的铜线14与扫描筒1的台面搭接；射频开关18的一端与射频发生器17的信号输出端连接，另一端通过20μm直径的铜线14与扫描筒1的台面搭接；物镜19的上出射端与扫描筒1的台面正对；第一反射镜20的上出射端与物镜19的下入射端正对；第一反射镜20的下入射端与物镜19的下出射端正对；532nm波长激光器21的出射端与第一反射镜20的上入射端正对；第二反射镜22的入射端与第一反射镜20的下出射端正对；雪崩光电二极管23的入射端与第二反射镜22的出射端正对；雪崩光电二极管23的信号输出端与反馈控制回路9的信号输入端连接；磁场线圈24与扫描筒1的台面斜对；磁场发生器25的信号输出端与磁场线圈24的信号输入端连接；现场可编程逻辑门阵列26的信号输出端分别与反馈控制回路9的控制端、微波开关16的控制端、射频开关18的控制端、532nm波长激光器21的控制端、磁场发生器25的控制端连接。
具体实施时，超高真空腔体的腔壁上密封贯穿安装有四个真空接口；锁相环5的信号输入端通过第一个真空接口与四象限光电二极管探测器4的信号输出端连接；压电陶瓷7的信号输入端通过第二个真空接口与自动增益控制回路6的信号输出端连接；反馈控制回路9的信号输出端通过第三个真空接口与扫描筒1的信号输入端连接；20μm直径的铜线14通过第四个真空接口与扫描筒1的台面搭接。
Claims (2)
1.一种新型氮空位色心金刚石的扫描磁强计，其特征在于：包括原子力显微镜系统和光学检测磁信息系统；
所述原子力显微镜系统包括超高真空腔体、扫描筒（1）、氮空位色心金刚石探针（2）、670nm波长激光器（3）、四象限光电二极管探测器（4）、锁相环（5）、自动增益控制回路（6）、压电陶瓷（7）、50Ω电阻（8）、反馈控制回路（9）、锁相放大器（10）、载波器（11）、表面形貌信息输出端口（12）、磁信息输出端口（13）；
所述光学检测磁信息系统包括20μm直径的铜线（14）、微波发生器（15）、微波开关（16）、射频发生器（17）、射频开关（18）、物镜（19）、第一反射镜（20）、532nm波长激光器（21）、第二反射镜（22）、雪崩光电二极管（23）、磁场线圈（24）、磁场发生器（25）、现场可编程逻辑门阵列（26）；
其中，扫描筒（1）、氮空位色心金刚石探针（2）、670nm波长激光器（3）、四象限光电二极管探测器（4）、压电陶瓷（7）、50Ω电阻（8）均位于超高真空腔体内；氮空位色心金刚石探针（2）的针尖位于扫描筒（1）的台面正上方；670nm波长激光器（3）的出射端与氮空位色心金刚石探针（2）的针尖斜对；四象限光电二极管探测器（4）的入射端与氮空位色心金刚石探针（2）的针尖斜对；锁相环（5）的信号输入端与四象限光电二极管探测器（4）的信号输出端连接；自动增益控制回路（6）的信号输入端与锁相环（5）的信号输出端连接；压电陶瓷（7）与氮空位色心金刚石探针（2）的针尾固定，且压电陶瓷（7）的信号输入端与自动增益控制回路（6）的信号输出端连接；50Ω电阻（8）的一端接地，另一端与氮空位色心金刚石探针（2）的针尾连接；反馈控制回路（9）的信号输入端与锁相环（5）的信号输出端连接；反馈控制回路（9）的信号输出端与扫描筒（1）的信号输入端连接；锁相放大器（10）的信号输入端与锁相环（5）的信号输出端连接；载波器（11）的信号输出端与锁相放大器（10）的信号输入端连接；表面形貌信息输出端口（12）与反馈控制回路（9）的信号输出端连接；磁信息输出端口（13）与锁相放大器（10）的信号输出端连接；
微波开关（16）的一端与微波发生器（15）的信号输出端连接，另一端通过20μm直径的铜线（14）与扫描筒（1）的台面搭接；射频开关（18）的一端与射频发生器（17）的信号输出端连接，另一端通过20μm直径的铜线（14）与扫描筒（1）的台面搭接；物镜（19）的上出射端与扫描筒（1）的台面正对；第一反射镜（20）的上出射端与物镜（19）的下入射端正对；第一反射镜（20）的下入射端与物镜（19）的下出射端正对；532nm波长激光器（21）的出射端与第一反射镜（20）的上入射端正对；第二反射镜（22）的入射端与第一反射镜（20）的下出射端正对；雪崩光电二极管（23）的入射端与第二反射镜（22）的出射端正对；雪崩光电二极管（23）的信号输出端与反馈控制回路（9）的信号输入端连接；磁场线圈（24）与扫描筒（1）的台面斜对；磁场发生器（25）的信号输出端与磁场线圈（24）的信号输入端连接；现场可编程逻辑门阵列（26）的信号输出端分别与反馈控制回路（9）的控制端、微波开关（16）的控制端、射频开关（18）的控制端、532nm波长激光器（21）的控制端、磁场发生器（25）的控制端连接。
2.根据权利要求1所述的一种新型氮空位色心金刚石的扫描磁强计，其特征在于：超高真空腔体的腔壁上密封贯穿安装有四个真空接口；锁相环（5）的信号输入端通过第一个真空接口与四象限光电二极管探测器（4）的信号输出端连接；压电陶瓷（7）的信号输入端通过第二个真空接口与自动增益控制回路（6）的信号输出端连接；反馈控制回路（9）的信号输出端通过第三个真空接口与扫描筒（1）的信号输入端连接；20μm直径的铜线（14）通过第四个真空接口与扫描筒（1）的台面搭接。
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