CN105158709B - 一种基于内嵌nv‑色心金刚石的磁场测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于内嵌NV^‑色心金刚石的磁场测量装置，采用内含负价氮原子‑空位(negatively charged nitrogen‑vacancy，NV^‑)色心的纳米金刚石颗粒作为敏感元件，采用相移型微纳光纤布拉格光栅作为样品腔，利用激光和微波对NV^‑色心电子能级进行操控，通过检测NV^‑色心的荧光强度实现磁场测量。本发明有较高的空间分辨率以及较好的稳定性，并且具有体积小、成本低、可室温操作等优势，可在被测对象表面或探入微小的孔和缝隙中进行测量，是一种基于固体原子自旋的磁场测量装置，可服务于未来各个领域的低成本、高空间分辨率的弱磁场测量需求。

Description

一种基于内嵌NV-色心金刚石的磁场测量装置

技术领域

本发明涉及磁场测量的技术领域，具体涉及一种基于内嵌NV^-色心金刚石磁测量装置，可用于高空间分辨率、微弱磁场的测量，在基础物理、化学材料、生物医学、工业检测等领域有重要应用价值。

背景技术

随着社会和科学技术的不断进步，对弱磁场测量的需求不断增加。一些新的物理效应的发现、新技术的突破，使磁场测量装置的性能有了很大提升。弱磁测量技术已经渗透在基础物理、生物医学、工业检测、军事国防等领域，同时在物联网、智能电网中也有广泛的应用前景。

超导量子干涉仪(superconducting quantum interference device，SQUID)是目前工程应用中灵敏度最高的弱磁测量装置，但是仪器工作时需要液氮或液氦降温，并保持4.2K或77K 的温度，维护费用较高且低温设备必不可少，导致仪器体积庞大，空间分辨率不高。基于的无自旋交换弛豫(spin-exchange relaxation free，SERF)的磁强计需要对敏感源加热，在生物磁场探测、成像时需要对探头进行隔热处理，这限制了其应用，同时加热装置、隔热装置也增大了仪器的体积。因此目前急需小体积、高空间分辨率、工作在室温的磁场测量装置。

近年来，内嵌NV^-色心的金刚石材料在量子测量领域的应用引起研究人员的关注。采用 NV^-色心中的电子自旋可以实现磁场的测量。通过光学及微波手段实现NV^-色心电子自旋的操控，利用电子自旋对磁场敏感特性，会使得电子自旋布局数发生变化，进而使荧光强度变化，实现磁场的测量。内含NV^-色心的金刚石可在室温下进行工作，不需要温度控制装置，且金刚石是固体材料，敏感探头可以很小，可拥有较高的空间分辨率。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提出一种基于内嵌NV^-色心金刚石的磁场测量装置，具有能在室温条件下实现高空间分辨率弱磁测量能力，以及成本低、体积小、操作简易的特性。本发明还提供了所述基于内嵌NV^-色心金刚石的磁场测量装置的基本工作原理和工作方式。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种基于内嵌NV^-色心金刚石的磁场测量装置，包括CCD图像传感器、光纤耦合器、调整架和磁场测量探头，其中：

所述磁场测量探头的前端是一个相移型微纳光纤布拉格光栅，内嵌NV^-色心金刚石位于布拉格光栅中央的微腔内。相移型微纳光纤布拉格光栅背面镀有一条铜质微带天线，通过微带天线末端的高频接线端连接至微波源，为NV^-色心提供操控微波场。相移型微纳光纤布拉格光栅末端用聚焦粒子束切平用于反射部分荧光，其前端通过一段圆锥过渡区域与普通光纤相连，在普通光纤靠近相移型微纳光纤布拉格光栅处外侧缠绕细铜线形成静磁场线圈，静磁场线圈的接线端与电源连接，为静磁场线圈供电产生静磁场。普通光纤远离相移型微纳光纤布拉格光栅的一端连接至光纤耦合器。

所述CCD图像传感器、光纤耦合器、调整架集成于磁场测量装置外框内。与532nm的激光器相连的光纤由调整架固定，光纤发出的532nm激光通过透镜准直后照射到二向色镜上并反射，通过对位于调整架和二向色镜上的旋钮的调节可以使反射的532nm激光通过光纤耦合器耦合至磁场测量探头，照射到位于磁场测量探头前端的内嵌NV^-色心金刚石，导致金刚石内的NV^-色心的电子自旋被极化，NV^-色心的电子自旋与外界待测磁场相互作用后，产生的600nm-800nm的荧光沿与入射激光相同的路径返回并透过二向色镜，经过滤波片滤掉532nm反射激光只让荧光通过。透过滤波片的荧光由CCD图像传感器进行采集，通过对荧光的强度的检测实现磁场的测量。

所述内嵌NV^-色心金刚石是内嵌NV^-色心的纳米金刚石颗粒，将含有纳米金刚石颗粒的溶液滴入相移型微纳光纤布拉格光栅中央的微腔内，利用532nm激光照射，通过检测是否有荧光判断纳米金刚石颗粒是否被放入微腔内。溶液蒸发后纳米金刚石颗粒便附着在微腔内部。

所述相移型微纳光纤布拉格光栅是一种光学微腔谐振器，是在直径约1～10μm的微纳光纤上刻蚀周期为Λ、在中央有1.5倍Λ相移的光栅。光栅周期按照公式计算，其中n 为微纳光纤的有效折射率，取λ＝532nm可使532nm激光在移相微腔内产生共振。光栅周期个数根据实际需求选择，光栅中央微腔长度不应超过1.5倍的Λ。

另外，本发明提供的一种基于内嵌NV^-色心金刚石的磁场测量装置，按照以下工作方法实现磁场的测量。

金刚石NV^-色心的基态能级是三能级结构，可被532nm的激光极化到自旋S＝0状态，利用微波脉冲对基态能级进行操控，被操控的能级之间产生相干性，在待测外磁场环境下会产生相对相位，相对相位可以转化为荧光强度，通过对荧光强度的检测实现待测磁场在金刚石NV轴上投影的测量。对于确定的金刚石，NV轴的方向是确定的，因此可以实现磁场的矢量测量。

给静磁场线圈施加一定已知强度电流产生参考静磁场，在参考磁场条件下，金刚石NV^-色心能级S＝0与S＝1或S＝0与S＝-1之间的能级差是确定的，记为Δ。使用时按照以下时序完成一次磁场的测量：

(1)、初始化阶段：启动电源，532nm激光通过经透镜准直后照射到二向色镜上，被反射后通过光纤耦合器进入到磁场测量探头并照射到内嵌NV^-色心的金刚石，初始化金刚石内 NV^-色心电子自旋；

(2)、测量阶段：静磁场与交流磁场测量时序不同，分别进行说明。

①静磁场：采用Ramsey序列进行测量。断掉激光，通过微带天线施加频率为Δ的微波脉冲，脉冲时长为半个电子自旋的拉比振荡周期即π/2脉冲；让体系自由演化τ时间，τ小于 NV^-色心电子自旋的退相干时间T₂ ^*；再输入一个时长为π/2微波脉冲；

②交流磁场：采用Hahn回声序列进行测量。断掉激光，通过微带天线施加频率为Δ的微波，脉冲时长为半个电子自旋的拉比振荡周期即π/2脉冲；让体系自由演化τ/2时间，输入一个时长为π微波脉冲；再让体系自由演化τ/2时间后输入一个时长为π/2微波脉冲。τ根据待测交流磁场的频率确定，如果待测磁场频率v已知，则τ＝2π/v，若磁场未知，则先需要扫描τ，选择荧光强度最强时对应的τ进行测量。

(3)、读出阶段：在最后一个微波脉冲输入后输入一个激光脉冲，金刚石NV-色心产生荧光，部分荧光沿入射光路径返回至二向色镜并透过二向色镜，经滤波片滤除反射回来的激光，最后利用CCD图像传感器对荧光强度进行检测，读出信号。

本发明的原理：本发明通过对金刚石内NV^-色心的自旋相干态在外磁场环境下产生的相对相位进行检测实现转磁场的测量。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。施加频率约为Δ、脉冲时长为半个电子自旋的拉比振荡周期即π/2的微波脉冲后，电子自旋的S＝0态与S＝1态或S＝0态与S＝-1态变成相干状态，当金刚石样品在处于外界磁场中时，相干状态将产生相对相位。若果待测磁场为交流磁场，需要再加一个π脉冲，可消除环境扰动带来的影响。然后通过另一个π/2的微波脉冲作用可以将相对相位转化为电子自旋的布居。最后利用532nm激光照射可将电子自旋从基态激发，由于仅有自旋S＝0态的电子从激发态落回基态时发出荧光，因此通过检测荧光强度可实现电子自旋布居数的检测，从而可得到相对相位的大小，进而可获得待测磁场沿色心NV轴方向的投影。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)、本发明以固体材料纳米金刚石颗粒中的NV^-色心电子自旋作为敏感元，在保证敏感原子数目的同时可有效的缩小探头体积。

(2)、本发明利用相移型微纳光纤布拉格光栅作为磁场测量探头样品腔，可有效地将激光集中到金刚石上，提高了金刚石NV^-色心的极化率；同使可使探头体积非常小，能在被测对象表面或探入微小的孔和缝隙中进行测量，实现高空间分辨率的磁场测量。

(3)、本发明的探头通过普通光纤与装置主体连接，可突破被探测对象距离和尺寸的限制。

(4)、本发明对操作温度没有要求，所有测量可以在室温下进行，扩大了系统应用范围。不需要温控装置，简化了装置，降低了成本。

附图说明

图1为本发明的磁场测量探头放大图；

图2为本发明的结构图；

附图标记列示如下：1-普通光纤，2-静磁场线圈，3-高频接线端，4-微带天线，5-相移型微纳光纤布拉格光栅，6-内嵌NV^-色心金刚石，7-CCD图像传感器，8-磁场测量装置外框， 9-滤波片，10-二向色镜，11-光纤耦合器，12-磁场检测探头，13-透镜，14-调整架。

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。

一种基于内嵌NV^-色心金刚石的磁场测量装置，包括CCD图像传感器7、滤波片9、二向色镜10、光纤耦合器11、透镜13、调整架14和磁场测量探头12。所述磁场测量探头12 包括内嵌NV^-色心金刚石6敏感部件，相移型微纳光纤布拉格光栅5，微带天线4，静磁场线圈2，普通光纤1。

所述CCD图像传感器7、光纤耦合器11和调整架14集成于磁场测量装置外框8内。调整架14固定与532nm激光器相连的光纤，经光纤出射的532nm的激光通过透镜13准直后被二向色镜10反射，通过对位于调整架14和二向色镜上10的旋钮的调节可以使反射激光通过光纤耦合器11耦合至磁场测量探头12，照射到位于磁场测量探头末端的内嵌NV^-色心纳米金刚石颗粒6，导致金刚石内的NV^-色心的电子自旋被极化，NV^-色心的电子自旋与外界待测磁场相互作用，产生的600nm-800nm的荧光沿与入射激光相同的路径返回并透过二向色镜10，经过滤波片9滤掉532nm反射激光只让荧光通过。透过滤波片的荧光由CCD图像传感器7进行采集，通过对荧光的强度的检测实现磁场的测量。

所述磁场测量探头12的前端是一个在直径约1～10μm的微纳光纤上刻蚀的周期为Λ、在中央有1.5倍Λ相移的相移型微纳光纤布拉格光栅5，光栅周期按照公式计算，其中 n为微纳光纤的有效折射率，取λ＝532nm可使532nm激光在移相微腔内产生共振，光栅周期个数根据实际需求选择，光栅中央微腔长度不应超过1.5倍的Λ。将含有纳米金刚石颗粒6 的溶液滴入到相移型微纳光纤布拉格光栅5中央的微腔内，利用532nm激光照射，通过检测是否有荧光判断纳米金刚石颗粒6是否被放入微腔内，溶液蒸发后纳米金刚石颗粒6便附着在微腔内部。相移型微纳光纤布拉格光栅5末端用聚焦粒子束切平，用于反射金刚石内的 NV^-色心产生的部分荧光。相移型微纳光纤布拉格光栅5背面镀有一条铜质微带天线4，通过其末端高频接线端3连接至微波源，为NV^-色心提供操控微波场。相移型微纳光纤布拉格光栅5前端通过一段圆锥过渡区域与普通光纤1相连，在普通光纤1靠近相移型微纳光纤布拉格光栅5处外侧缠绕细铜线形成静磁场线圈2，静磁场线圈2的接线端与电源的连接，为静磁场线圈2供电产生静磁场。普通光纤1远离相移型微纳光纤布拉格光栅5的一端连接至光纤耦合器11。

基于NV^-色心金刚石的磁场测量装置测量磁场的工作方法主要是：

金刚石NV^-色心的基态能级可被532nm的激光极化到自旋S＝0状态，利用微波脉冲对基态能级进行操控，被操控的能级之间产生相干性，在待测外磁场环境下会产生相对相位，相对相位可以转化为荧光强度，通过对荧光强度的检测实现待测磁场在金刚石NV轴上投影的测量。对于确定的金刚石，NV轴的方向是确定的，因此可以实现磁场的矢量测量。

给静磁场线圈2施加一定已知强度电流产生参考静磁场，在参考磁场条件下，金刚石 NV_-色心能级S＝0与S＝1或S＝0与S＝-1之间的能级差是确定的，记为Δ。使用时按照以下时序完成一次磁场的测量：

(1)、初始化阶段：启动电源，532nm激光通过透镜13准直后照射到二向色镜上10，被反射后通过光纤耦合器11进入到磁场测量探头12并照射到内嵌NV^-色心金刚石6上，初始化金刚石内NV^-色心电子自旋；

(2)、测量阶段：静磁场与交流磁场测量时序不同，分别进行说明。

①静磁场：采用Ramsey序列进行测量。断掉激光，通过微带天线4施加频率为Δ的微波脉冲，脉冲时长为半个电子自旋的拉比振荡周期即π/2脉冲；让体系自由演化τ时间，τ小于NV^-色心电子自旋的横向弛豫时间T₂ ^*；再输入一个时长为π/2微波脉冲；

②交流磁场：采用Hahn回声序列进行测量。断掉激光，通过微带天线4施加频率为Δ的微波，脉冲时长为半个电子自旋的拉比振荡周期即π/2脉冲；让体系自由演化τ/2时间，输入一个时长为π微波脉冲；再让体系自由演化τ/2时间后输入一个时长为π/2微波脉冲。τ根据待测交流磁场的频率确定，如果待测磁场频率v已知，则τ＝2π/v，若磁场未知，则先需要扫描τ，选择荧光强度最强时对应的τ进行测量。

(3)、读出阶段：在最后一个微波脉冲输入后输入一个激光脉冲，金刚石NV^-色心产生荧光，部分荧光沿入射光路径返回至二向色镜10并透过二向色镜10，经滤波片9滤除反射回来的激光，最后利用CCD图像传感器7对荧光强度进行检测，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。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 (4)

1.一种基于内嵌NV^-色心金刚石的磁场测量装置，其特征在于，包括CCD图像传感器(7)、光纤耦合器(11)、调整架(14)和磁场测量探头(12)，所述磁场测量探头包括内嵌NV^-色心金刚石(6)敏感部件，相移型微纳光纤布拉格光栅(5)，静磁场线圈(2)，微带天线(4)和普通光纤(1)；其中：

所述磁场测量探头(12)的前端是一个相移型微纳光纤布拉格光栅(5)，内嵌NV^-色心金刚石(6)位于相移型微纳光纤布拉格光栅(5)中央的微腔内，相移型微纳光纤布拉格光栅(5)背面镀有一条铜质微带天线(4)，通过其末端高频接线端(3)连接至微波源，为NV^-色心提供操控微波场，相移型微纳光纤布拉格光栅(5)末端用聚焦粒子束切平用于反射部分荧光，其前端通过一段圆锥过渡区域与普通光纤(1)相连，在普通光纤(1)靠近相移型微纳光纤布拉格光栅(5)处外侧缠绕细铜线形成静磁场线圈(2)，静磁场线圈(2)的接线端与电源的连接，为静磁场线圈供电产生静磁场，普通光纤(1)远离相移型微纳光纤布拉格光栅(5)的一端连接至光纤耦合器(11)；

所述CCD图像传感器(7)、光纤耦合器(11)、调整架(14)集成于磁场测量装置外框(8)内，与532nm的激光器相连的光纤由调整架(14)固定，光纤发出的激光通过透镜(13)准直后照射到二向色镜(10)上并反射，通过对位于调整架(14)和二向色镜上(10)的旋钮的调节可以使反射的532nm激光通过光纤耦合器(11)耦合至磁场测量探头(12)，照射到位于磁场测量探头(12)前端的内嵌NV^-色心金刚石(6)，导致金刚石(6)内的NV^-色心的电子自旋被极化，NV^-色心的电子自旋与外界待测磁场相互作用后，产生的600nm-800nm的荧光沿与入射激光相同的路径返回并透过二向色镜(10)，经过滤波片(9)滤掉532nm反射激光只让荧光通过，透过滤波片的荧光由CCD图像传感器(7)进行采集，通过对荧光的强度的检测实现磁场的测量。

2.根据权利要求1所述的一种基于内嵌NV^-色心金刚石的磁场测量装置，其特征在于，所述内嵌NV^-色心金刚石(6)是内嵌NV^-色心的纳米金刚石颗粒，将含有纳米金刚石颗粒(6)的溶液滴入到相移型微纳光纤布拉格光栅(5)中央的微腔内，利用532nm激光照射，通过检测是否有荧光判断纳米金刚石颗粒(6)是否被放入微腔内，溶液蒸发后纳米金刚石颗粒(6)便附着在微腔内部。

3.根据权利要求1所述的一种基于内嵌NV^-色心金刚石的磁场测量装置，其特征在于，所述相移型微纳光纤布拉格光栅(5)是一种光学微腔谐振器，是在直径约1～10μm的微纳光纤上刻蚀周期为Λ、在中央有1.5倍Λ相移的光栅，使532nm激光在光栅中央的移相微腔内产生共振，光栅周期个数根据实际需求选择，光栅中央微腔长度不应超过1.5倍的Λ。

4.一种如权利要求1至3之一所述的基于内嵌NV-色心金刚石的磁场测量装置测量磁场的工作方法，其特征在于：

金刚石NV-色心的基态能级可被532nm的激光极化到自旋S＝0状态，利用微波脉冲对基态能级进行操控，被操控的能级之间产生相干性，在待测外磁场环境下会产生相对相位，相对相位可以转化为荧光强度，通过对荧光强度的检测实现待测磁场在金刚石NV轴上投影的测量，对于确定的金刚石，NV轴的方向是确定的，因此可以实现磁场的矢量测量；

给静磁场线圈(2)施加一定已知强度电流产生参考静磁场，在参考磁场条件下，金刚石NV-色心能级S＝0与S＝1或S＝0与S＝-1之间的能级差是确定的，记为Δ，使用时按照以下时序完成一次磁场的测量：

(1)、初始化阶段：启动电源，532nm激光通过透镜(13)准直后照射到二向色镜上(10)，被反射后通过光纤耦合器(11)进入到磁场测量探头(12)并照射到内嵌NV-色心金刚石(6)上，初始化金刚石内NV-色心电子自旋；

(2)、测量阶段：静磁场与交流磁场测量时序不同，分别进行说明：

①静磁场：采用Ramsey序列进行测量，断掉激光，通过微带天线(4)施加频率为Δ的微波脉冲，脉冲时长为半个电子自旋的拉比振荡周期即π/2脉冲；让体系自由演化τ时间，τ小于NV-色心电子自旋的横向弛豫时间T₂ ^*；再输入一个时长为π/2微波脉冲；

②交流磁场：采用Hahn回声序列进行测量；断掉激光，通过微带天线(4)施加频率为Δ的微波，脉冲时长为半个电子自旋的拉比振荡周期即π/2脉冲；让体系自由演化τ/2时间，输入一个时长为π微波脉冲；再让体系自由演化τ/2时间后输入一个时长为π/2微波脉冲，τ根据待测交流磁场的频率确定，如果待测磁场频率v已知，则τ＝2π/v，若磁场未知，则先需要扫描τ，选择荧光强度最强时对应的τ进行测量；

(3)、读出阶段：在最后一个微波脉冲输入后输入一个激光脉冲，金刚石NV^-色心产生荧光，部分荧光沿入射光路径返回至二向色镜(10)并透过二向色镜，经滤波片(9)滤除反射回来的激光，最后利用CCD图像传感器(7)对荧光强度进行检测，读出信号。