CN105352489B - 一种基于金刚石nv―色心的加速度传感器 - Google Patents

一种基于金刚石nv―色心的加速度传感器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于金刚石NV―色心的加速度传感器，用含有高浓度NV―色心的金刚石作为磁场敏感元件，以NV―色心系综电子二能级系统在激光脉冲下产生的拉比振荡频率为测量对象，通过光检测磁共振技术(optical detection magnetic resonance,简称ODMR)对拉比振荡频率的测量，实现在外界加速度作用下静磁场源与高浓度NV―色心的金刚石的相对位移变化所导致变化磁场的高精度的测量，进而实现加速度信息的测量。本发明结合了传统加速度传感器的质量‑弹簧结构、微纳光‑机‑电技术与对金刚石NV―色心量子操控的原理，利用金刚石NV―色心可用于超高精度磁场测量的特点，可以得到小体积、超高精度、高灵敏度、测量范围大的加速度传感器元件。对于加速度计、重力仪等技术有着重要的价值。

Description

一种基于金刚石NV―色心的加速度传感器
技术领域
本发明涉及加速度传感器的技术领域，具体涉及一种基于金刚石负价氮原子-空位 (negatively charged nitrogen vacancy,简称NV―)色心的加速度传感器。
背景技术
随着对科学技术的不断进步，量子物理的理念与技术渐渐被应用于实际的仪器设备中，进而提高了仪器设备在小型化、高精度、高灵敏度等方面的性能。基于量子物理的仪器设备能够实现高精度、高灵敏度等的一个重要原因是利用了光学测量的检测手段，能够通过该方法与电子自旋、核自旋、能带变化、拉比震荡等多种对外界环境灵敏的物理量更加准确并快速的检测出来。
加速度计在日常生活、军事等诸多方面有着广泛且重要的应用。现有的加速度计主要有 MEMS加速度计、晶振加速度计、陀螺加速度计等，但现有的加速度计中所使用的基本概念还是基于经典物理层面，其灵敏度极限受到了经典物理理论的限制，并且随着技术的日趋成熟，诸多性能指标已经难以得到较大的提高。在此背景下，基于金刚石色心的量子传感技术的研究已经在诸多研究小组中展开，并且在磁场测量、温度测量等测量领域已经取得了较大的研究进展，并且证实了利用金刚石色心可以实现大动态范围、小型化、高稳定性敏感元件的研制。金刚石色心的研究一般分为基于高纯度的单个金刚石色心研究或者高浓度的金刚石色心系综研究两种。其中，利用高浓度金刚石色心作为敏感元件因具有较高的信噪比以及更快的测量速度，在近两年已成为该领域所关注的热点。在金刚石色心超高灵敏磁场测量的基础上，增加加速度敏感单元，使其对其状态进行测量，进而可以实现超高灵敏加速度测量。
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NV―色心的加速度传感器，能感受到加速度作用并转换成可测量的输出信号，利用高浓度金刚石NV―色心可用于超高精度磁场测量的特点进而实现外界线加速度高精度测量。本发明结合传统加速度传感器结构质量- 弹簧、微纳光-机-电技术，研制新一代基于金刚石NV―色心加速度传感器有着重要的意义和价值，将来服务于汽车安全、人工智能、导航、航天器姿态控制等领域。具有成本低、体积小、精度高、测量范围大、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―色心金刚石新型加速度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：一种基于金刚石NV―色心的加速度传感器，该加速度传感器内部元件包括半导体激光器、弹簧、U型磁铁、滤光片、雪崩光电二极管、光纤、环形器、磁场敏感部件和固定架；所述磁场敏感部件内部包含微波导线，左微波波导、右微波波导、介质膜以及NV―色心金刚石；半导体激光器、弹簧、U型磁铁、滤光片、雪崩光电二极管、光纤、环形器、磁场敏感部件和固定架集成封装在金属外框内，半导体激光器发出的532nm激光通过光纤导入到环形器后，经光纤到达NV―色心金刚石，从而激发NV―色心系综电子能级；NV―色心金刚石受激发后由于感受左微波波导、右微波波导辐射出来的微波磁场，NV―色心激发态电子将与微波产生共振并发出波长范围为 600nm-800nm的荧光，其中心波长为637nm；NV―色心金刚石发出的荧光经过介质膜反射通过光纤返回环形器，然后荧光通过光纤到达滤光片滤掉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，通过荧光的收集和数据处理系统形成ODMR光谱，然后通过测量ODMR光谱中的拉比振荡频率进而实现磁场测量；固定架用于固定磁场敏感元件，以防在加速度作用下，磁场敏感元件左右移动，影响测量结果；左微波波导、右微波波导通过微波导线连接到微波波源，并且紧贴在NV―色心金刚石两侧，给NV―色心金刚石提供2.87GHz的微波；U形磁铁和弹簧构成质量-弹簧结构，弹簧呈X形状平衡掉U型磁铁向下的重力；当外界存在线加速度时，质量-弹簧结构左右运动拉伸或压缩，造成NV―色心金刚石感受到的外部磁场环境发生变化，故可以通过ODMR中的拉比振荡频率变化测得外界磁场环境的变化，进而测得质量-弹簧结构与磁场敏感部件的相对位移变化，最终分析整个加速度传感器内部存在的数学关系建立数学模型测得线加速度。
其中，所有加速度传感器的部件都集成封装在磁屏蔽性能良好的金属外框内；体积小，成本低，重量轻便于移动和携带。
其中，利用高浓度金刚石NV―色心可用于超高精度磁场测量的特点进而实现外界线加速度高精度测量。
其中，所述NV―色心金刚石是高浓度NV―色心金刚石。
其中，基于金刚石NV―色心加速度传感器的金属外框是磁屏蔽性能良好的材料，以避免“端接效应”和磁力线穿透屏蔽体范围。使得在金刚石NV―色心加速度传感器在复杂的电磁场环境下能够正常工作，保证了加速度测量的精度和稳定性。
其中，所述光纤端部的横截面尺寸与高浓度NV―色心金刚石尺寸相匹配。
其中，磁场敏感元件内部使用了两根微波波导，分别紧贴在高浓度NV―色心金刚石的两侧，作为单极子天线辐射出2.87GHz的微波。在不同微波时序期间分别向两根微波波导馈送微波，对测得的信号做差分数据处理，可以降低噪声。
其中，靠近NV―色心金刚石的光纤端面覆有介质膜，反射荧光中心波长为637nm。
其中，高浓度NV―色心金刚石传感器采用了特定的质量-弹簧结构；X弹簧可以平衡掉 U型磁铁的重力并且可以通过调节弹簧的阻尼系数来调节加速度传感器的灵敏度，并且增大了加速度传感器的测量范围。
其中，所述的通过测量ODMR光谱中的拉比振荡频率进而实现磁场测量为：通过测量 ODMR光谱中的拉比振荡频率进而实现高精度的磁场测量，其中，测量灵敏度达到100pT/Hz0.5量级。
本发明的原理在于：
本发明通过利用高浓度NV―色心金刚石的固体电子自旋与微波相互作用的原理实现对外界磁场强度的高精度测量，进而实现外界加速度的高精度测量。NV―色心的基态能级为三重态，并且存在2.87GHz的零场分裂，即当外界微波频率为2.87GHz时NV―色心电子基态能级将发生分裂。当用532nm激光照射高浓度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。根据中心频率为2.87GHz、微波功率一定的微波来持续检测在外界加速度作用下U 型磁铁与磁场敏感部件之间相对位移变化带来的磁场强度变化对荧光强度的影响，从而通过光收集和数据处理系统得到ODMR光谱中的拉比振荡谱线。通过拉比振荡频率的变化得出外界磁场强度随U型磁铁与磁场敏感部件的相对位移变化的数学规律，最终测出线加速度。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)、本发明利用高浓度NV―色心金刚石固体材料，通过ODMR光谱中的拉比振荡曲线测得拉比频率。由于拉比振荡频率随外界磁场强度增大而增大，满足一定规律的数学关系。高浓度NV―色心金刚石磁场测量精度高，目前精度水平已达到亚nT/Hz0.5。故基于NV―色心金刚石的加速度传感器的测量精度高。可有效解决传统加速度传感器对于精度和传感器体积的矛盾；
(2)、本发明在整个测量阶段采用了两根微波波导，分别在不同的微波时序期间辐射 2.87GHz的微波。利用不同微波时序期间产生的拉比信号做一个差分数据处理，可以降低外界环境产生的噪声。
附图说明
图1为本发明的结构图；
图2为本发明的磁场敏感部件结构图；
图3为在外界加速度作用下加速度传感器内部示意图；
附图标记如下：1-金属外框，2-半导体激光器，3-弹簧，4-U型磁铁，5-滤光片，6-雪崩光电二极管，7-微波导线，8-光纤，9-环形器，10-磁场敏感部件，11-固定架，12-左微波波导，13-右微波波导，14-介质膜，15-金刚石，16-法拉第磁场线。
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1-3所示，本发明一种基于金刚石NV―色心的加速度传感器，该加速度传感器内部元件包括半导体激光器2、弹簧3、U型磁铁4、滤光片5、雪崩光电二极管6、光纤8、环形器9、磁场敏感部件10、固定架11，所述磁场敏感部件内部包含微波导线7，左微波波导 12，右微波波导13，介质膜14以及高浓度NV―色心金刚石15；半导体激光器2、弹簧3、 U型磁铁4、滤光片5、雪崩光电二极管6、光纤8、环形器9、磁场敏感部件10、固定架11 集成封装在磁屏蔽性能良好的金属外框1内，半导体激光器2发出的532nm激光通过光纤8 导入到环形器9后，经光纤8到达高浓度NV―色心金刚石15，NV―色心金刚石15是一个典型的二能级系统，NV―色心金刚石15在吸收532nm激光后，电子能级基态受激发跃迁至激发态，从而激发NV―色心系综电子能级；高浓度NV―色心金刚石15受激发后由于感受左微波波导12、右微波波导13辐射出来的微波磁场，高浓度NV―色心激发态电子将与微波产生共振并发出波长范围为600nm-800nm的荧光，其中心波长为637nm；于是位于能级基态和激发态的布居数发生周期性反转—拉比振荡，其振荡频率称为拉比振荡频率，随外界磁场强度变化会产生相应的变化。高浓度NV―色心金刚石15发出的荧光经过介质膜14反射通过光纤8返回环形器9，然后荧光通过光纤8到达滤光片5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6，通过荧光的收集和数据处理系统形成ODMR光谱，然后通过测量ODMR光谱中的拉比振荡频率进而实现高精度的磁场测量。固定架11用于固定磁场敏感元件10，以防在加速度作用下，磁场敏感元件左右移动，影响测量结果。左微波波导12、右微波波导13通过微波导线7连接到微波波源，并且紧贴在高浓度NV―色心金刚石两侧，给高浓度的NV―色心金刚石提供2.87GHz的微波。U形磁铁4和弹簧3构成质量- 弹簧结构，弹簧3呈X形状平衡掉U型磁铁4向下的重力。当外界存在线加速度时，质量- 弹簧结构左右运动拉伸或压缩，高浓度NV―色心金刚石15越靠近U型磁铁4，法拉第磁场线16越密，磁场强度越大，造成高浓度NV―色心金刚石感受到的外部磁场环境发生变化，故可以通过ODMR中的拉比振荡频率变化测得外界磁场环境的变化，进而测得质量-弹簧结构与磁场敏感部件的相对位移变化，最终分析整个加速度传感器内部存在的数学关系建立数学模型测得线加速度。
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 (10)

1.一种基于金刚石NV―色心的加速度传感器，其特征在于：该加速度传感器内部元件包括半导体激光器(2)、弹簧(3)、U型磁铁(4)、滤光片(5)、雪崩光电二极管(6)、光纤(8)、环形器(9)、磁场敏感部件(10)和固定架(11)；所述磁场敏感部件内部包含微波导线(7)，左微波波导(12)、右微波波导(13)、介质膜(14)以及NV―色心金刚石(15)；半导体激光器(2)、弹簧(3)、U型磁铁(4)、滤光片(5)、雪崩光电二极管(6)、光纤(8)、环形器(9)、磁场敏感部件(10)和固定架(11)集成封装在金属外框(1)内，半导体激光器(2)发出的532nm激光通过光纤(8)导入到环形器(9)后，经光纤(8)到达NV―色心金刚石(15)，从而激发NV―色心系综电子能级；NV―色心金刚石(15)受激发后由于感受左微波波导(12)、右微波波导(13)辐射出来的微波磁场，NV―色心激发态电子将与微波产生共振并发出波长范围为600nm-800nm的荧光，其中心波长为637nm；NV―色心金刚石(15)发出的荧光经过介质膜(14)反射通过光纤(8)返回环形器(9)，然后荧光通过光纤(8)到达滤光片(5)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(6)，通过荧光的收集和数据处理系统形成ODMR光谱，然后通过测量ODMR光谱中的拉比振荡频率进而实现磁场测量；固定架(11)用于固定磁场敏感部件(10)，以防在加速度作用下，磁场敏感部件左右移动，影响测量结果；左微波波导(12)、右微波波导(13)通过微波导线(7)连接到微波波源，并且紧贴在NV―色心金刚石两侧，给NV―色心金刚石提供2.87GHz的微波；U形磁铁(4)和弹簧(3)构成质量-弹簧结构，弹簧(3)呈X形状平衡掉U型磁铁(4)向下的重力；当外界存在线加速度时，质量-弹簧结构左右运动拉伸或压缩，造成NV―色心金刚石感受到的外部磁场环境发生变化，故通过ODMR中的拉比振荡频率变化测得外界磁场环境的变化，进而测得质量-弹簧结构与磁场敏感部件的相对位移变化，最终分析整个加速度传感器内部存在的数学关系建立数学模型测得线加速度。
2.根据权利要求1所述的一种基于金刚石NV―色心的加速度传感器，其特征在于：所有加速度传感器的部件都集成封装在磁屏蔽性能良好的金属外框(1)内；该加速度传感器体积小，成本低，重量轻便于移动和携带。
3.根据权利要求1所述的一种基于金刚石NV―色心的加速度传感器，其特征在于：利用高浓度金刚石NV―色心可用于超高精度磁场测量的特点进而实现外界线加速度高精度测量。
4.根据权利要求1所述的一种基于金刚石NV―色心的加速度传感器，其特征在于：所述NV―色心金刚石是高浓度NV―色心金刚石。
5.根据权利要求1所述的一种基于金刚石NV―色心的加速度传感器，其特征在于：基于金刚石NV―色心的加速度传感器的金属外框是磁屏蔽性能良好的材料，以避免“端接效应”和磁力线穿透屏蔽体范围；使得在金刚石NV―色心加速度传感器在复杂的电磁场环境下能够正常工作，保证了加速度测量的精度和稳定性。
6.根据权利要求1所述的一种基于金刚石NV―色心的加速度传感器，其特征在于：所述光纤(8)端部的横截面尺寸与高浓度NV―色心金刚石尺寸相匹配。
7.根据权利要求1所述的一种基于金刚石NV―色心的加速度传感器，其特征在于：磁场敏感部件内部使用了两根微波波导，分别紧贴在高浓度NV―色心金刚石的两侧，作为单极子天线辐射出2.87GHz的微波；在不同微波时序期间分别向两根微波波导馈送微波，对测得的信号做差分数据处理，可以降低噪声。
8.根据权利要求1所述的一种基于金刚石NV―色心的加速度传感器，其特征在于：靠近NV―色心金刚石的光纤端面覆有介质膜，反射荧光中心波长为637nm。
9.根据权利要求1所述的一种基于金刚石NV―色心的加速度传感器，其特征在于：高浓度NV―色心金刚石传感器采用了特定的质量-弹簧结构；X弹簧平衡掉U型磁铁的重力并且通过调节弹簧的阻尼系数来调节加速度传感器的灵敏度，并且增大了加速度传感器的测量范围。
10.根据权利要求1所述的一种基于金刚石NV―色心的加速度传感器，其特征在于：所述的通过测量ODMR光谱中的拉比振荡频率进而实现磁场测量为：通过测量ODMR光谱中的拉比振荡频率进而实现高精度的磁场测量，其中，测量灵敏度达到100pT/Hz0.5量级。
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