CN105823994B - 一种基于金刚石nv色心的微波磁场测量系统 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种基于金刚石NV色心的微波磁场测量系统，该系统用于对待测微波的微波磁场进行测量。具体包括共聚焦显微装置、精密位移装置、静磁场调节装置、具备NV色心的金刚石和信号处理装置，精密位移装置用于控制发射待测微波的微波源与NV色心的相对位移，静磁场调节装置用于控制施加在所述金刚石上的静磁场的场强；共聚焦显微装置用于利用预设波长的激光激发该NV色心的电子状态，记录所述NV色心发出的荧光，并输出反映该荧光的荧光信号；信号处理装置用于根据荧光信号重构待测微波在纳米量级分辨率的微波磁场矢量，从而能够实现对待测微波的微波磁场的矢量测量。
Description
技术领域
本申请涉及微波技术领域，更具体地说，涉及一种基于金刚石NV色心的微波磁场测量系统。
背景技术
近年来，微波技术的发展极大地促进了通信技术、高速电子技术和磁共振技术等的快速发展，这一切主要依赖于对纳米尺度上的高频微波过程和高频微波材料的发现，而对高频微波过程和高频微波材料的发现又是以对微波的高分辨率测量为基础的。目前，人们已经能够实现对微波中的微波电场进行高分辨率矢量测量，而对其中的微波磁场的高分辨率矢量测量仍是技术难题，从而使微波磁场的测量技术成为微波技术进一步发展的技术瓶颈，该技术瓶颈的突破将有效促进半导体器件技术、信息技术、超导技术和高精度测量技术等多个技术领域的进步。
发明内容
有鉴于此，本申请提供一种基于金刚石NV色心的微波磁场测量系统，用于对微波磁场在室温下实现纳米量级分辨率的矢量测量，以促进半导体器件技术、信息技术、超导技术和高精度测量等多个领域的进步。
为了实现上述目的，现提出的方案如下：
一种基于金刚石NV色心的微波磁场测量系统，包括共聚焦显微装置、精密位移装置、静磁场调节装置、具备NV色心的金刚石和信号处理装置，其中：
所述精密位移装置用于控制微波源与所述NV色心的相对位移，所述微波源用于发射待测微波；
所述静磁场调节装置用于控制施加在所述金刚石上的静磁场的场强；
所述共聚焦显微装置用于利用预设波长的激光激发所述NV色心的电子状态，记录所述NV色心在所述待测微波影响下发出的荧光，并输出反映所述荧光的荧光信号；
所述信号处理装置用于根据所述荧光信号，重构所述待测微波在纳米量级分辨率的微波磁场矢量。
可选的，所述精密位移装置包括第一三维位移台、多个伸缩柱和第二三维位移台；
所述第一三维位移台用于承载所述金刚石，并控制所述金刚石的NV色心锁定在所述聚焦显微装置的测量点处；
所述伸缩柱的一端固定在所述第一三维位移台的上表面、另一端与所述第二三维位移台相连接，用于控制所述第二三维位移台与所述金刚石的距离；
所述第二三维位移台用于固定微波源，所述微波源用于发射所述待测微波。
可选的，所述精密位移装置还包括石英盖玻片，其中：
所述石英盖玻片设置在所述第一三维位移台的上表面，用于利用光学胶固定所述金刚石。
可选的，所述静磁场调节装置包括角度圆环、多个刻度支架、伸缩杆和磁体，其中：
所述刻度支架对所述角度圆环形成支撑，并控制所述角度圆环的高度；
所述角度圆环通过螺丝与所述刻度支架固定连接；
所述伸缩杆的一端利用旋转接口固定在所述角度圆环上，并与所述角度圆环的平面成预设角度；
所述磁体固定在所述伸缩杆的另一端，用于提供所述静磁场。
可选的，所述磁体为永磁体；
可选的，所述永磁体为圆柱形永磁体。
可选的，所述共聚焦显微装置包括共聚焦显微光路和显微镜物镜，其中：
所述共聚焦显微光路用于将激光经自由光路向所述显微镜物镜发射预设波长的激光；
所述显微镜物镜用于将所述共聚焦光路发射的激光投射到所述NV色心上，并收集所述NV色心在所述待测微波影响下发射的所述荧光；
所述共聚焦显微光路还用于将所述荧光转换为所述荧光信号。
可选的，所述共聚焦显微光路包括激光器、光纤耦合声光调制器、第一光纤耦合器、二向色镜和第二光纤耦合器和雪崩光电二极管，其中
所述激光器用发射所述预设波长的激光；
所述光纤耦合声光调制器通过光纤与所述激光器相连接，用于对所述激光器发射的激光进行调制；
所述第一光纤耦合器通过光纤与所述光纤耦合声光调制器相连接，用于将经过调制的激光投射在所述二向色镜上；
所述二向色镜用于将所述激光反射到显微镜物镜；
所述第二光电耦合器通过光纤与所述雪崩光电二极管相连接，用于接接收所述显微镜物镜收集的所述荧光；
所述雪崩光电二极管用于将所述第二光电耦合器接收到的所述荧光转换为所述荧光信号。
可选的，所述预设波长包括532nm。
可选的，所述金刚石的尺寸为100μm*100μm*10μm、含氮量为1ppm。
从上述的技术方案可以看出，本申请公开了一种基于金刚石NV色心的微波磁场测量系统，该系统用于对待测微波的微波磁场进行测量。具体包括共聚焦显微装置、精密位移装置、静磁场调节装置、具备NV色心的金刚石和信号处理装置，精密位移装置用于控制发射待测微波的微波源与NV色心的相对位移，静磁场调节装置用于控制施加在所述金刚石上的静磁场的场强；共聚焦显微装置用于利用预设波长的激光激发该NV色心的电子状态，记录所述NV色心发出的荧光，并输出反映该荧光的荧光信号；信号处理装置用于根据荧光信号重构待测微波在纳米量级分辨率的微波磁场矢量，从而能够实现对待测微波的微波磁场的矢量测量。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种基于金刚石NV色心的微波磁场测量系统的结构示意图；
图2为本申请提供的一种共聚焦显微装置的结构示意图；
图3为本申请提供的一种精密位移装置的立体示意图；
图4为本申请提供的一种精密位移装置的侧视图；
图5为本申请提供的一种磁场调节装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
实施例
图1为本申请实施例提供的一种基于金刚石NV色心的微波磁场测量系统的结构示意图。
如图1所示，本实施例提供的微波磁场测量系统是基于金刚石NV色心的光学特性实施的，用于对微波的微波磁场进行测量，具体包括共聚焦显微装置10、精密位移装置20、静磁场调节装置30、具备NV色心的金刚石40和信号处理装置(未示出)。
本申请中用到的金刚石40具有NV色心，金刚石NV色心是一种光学性质极好的缺陷，在波长532nm的激光激发下，处于不同基态的NV色心能够发出不同强度的荧光，而微波可以改变NV色心基态状态，利用这一特性可以通过记录NV色心所发射的荧光的变化来得到待测微波的微波磁场强度。
精密位移装置20用于满足实验中对微波磁场的扫描。本申请中的精密位移装置20采用了双位移台分别控制金刚石40和用于发射待测微波的微波源(未示出)，既保证了共聚焦显微装置10对金刚石40中NV色心的高效筛选，又精确了微波源与金刚石40的NV色心的相对位移。
静磁场调节装置30用于满足实验中对不同空间构型的金刚石40的NV色心进行测量时对静磁场的要求。当沿NV色心主轴方向施加静磁场时，NV色心的基态能级分裂(2.87GHz)将会发生改变，故可通过调节静磁场大小控制基态能级间的跃迁频率，其中跃迁频率ω＝2.87±γB(GHz)，γ为NV电子自旋旋磁比，B为静磁场。当跃迁频率与外界微波场的频率一致时，NV色心所发出荧光的强度会产生震荡，即拉比振荡，拉比振荡的频率对应于垂直于该NV色心主轴方向的微波磁矢量场强度。
静磁场调节装置30利用旋转和升降的方法调节磁场方向，可以更快捷地将金刚石40的NV色心感受的静磁场方向调至与NV色心主轴方向一致；并通过调整磁体与金刚石40距离的方法调节NV色心所感受到的静磁场的磁场强度。
共聚焦显微装置10利用激光对金刚石40的NV色心的电子状态进行激发，并接收NV色心在激光激发和待测微波的双重影响下所发射的荧光，通过对荧光的检测得到反映该荧光特性的荧光信号。
信号处理装置的信号接收端与共聚焦显微装置10的信号输出端相连接，用于接收共聚焦显微装置10输出的荧光信号，通过对该荧光信号的处理，得以对待测微波在纳米量级分辨率的微波矢量进行重构，从而实现对待测微波的微波磁场的矢量测量。
从上述技术方案可以看出，本申请提供了一种基于金刚石NV色心的微波磁场测量系统，该系统用于对待测微波的微波磁场进行测量。具体包括共聚焦显微装置、精密位移装置、静磁场调节装置、具备NV色心的金刚石和信号处理装置，精密位移装置用于控制发射待测微波的微波源与NV色心的相对位移，静磁场调节装置用于控制施加在所述金刚石上的静磁场的场强；共聚焦显微装置用于利用预设波长的激光激发该NV色心的电子状态，记录所述NV色心发出的荧光，并输出反映该荧光的荧光信号；信号处理装置用于根据荧光信号重构待测微波在纳米量级分辨率的微波磁场矢量，从而能够实现对待测微波的微波磁场的矢量测量。
在对微波的微波磁场进行磁矢量场成像时，首先使用共聚焦显微装置10和精密位移装置20将激光聚焦于包含四种不同主轴方向的金刚石40的NV色心区域；然后，基于金刚石的NV色心与微波相互作用的条件，使用磁场调节装置30，调节静磁场方向与金刚石的NV色心主轴方向一致，调节静磁场大小使金刚石的NV色心基态能级频率差与待测微波源频率一致，测量金刚石的NV色心的拉比振荡频率并计算出待测微波磁场分量的强度；使用精密位移装置20逐点式扫描待测区域并对NV色心的拉比振荡进行测量；调节静磁场方向至其他金刚石的NV主轴方向，再重复以上操作；最后，将测得的所有微波磁场分量强度进行数学处理，即可获得微波磁矢量场的空间分布。
在对静磁场、电子自旋或核自旋成像时，首先使用共聚焦显微装置10和精密位移装置20聚焦合适的金刚石40的NV色心区域；然后，使用精密位移装置20将待测磁信号源靠近NV色心至所需位置；使用磁场调节装置30(对静磁场成像时省略)调节出实验所需的静磁场矢量；使用辅助的微波脉冲手段和共聚焦显微装置10记录NV色心的荧光变化；然后基于金刚石的NV色心与磁信号的相互作用计算出待测磁信号的强度；使用精密位移装置逐点式扫描待测区域并重复以上操作，即可获得磁信号的空间分布。
图2为本申请提供的一种共聚焦显微装置的结构示意图。
如图2所示，本申请提供的共聚焦显微装置包括共聚焦显微光路和显微镜物镜15，共聚焦显微光路用于将激光经自由光路向显微镜物镜15发射激光，显微镜物镜15用于将共聚焦光路发射的激光投射到金刚石的NV色心上，并收集NV色心发射的荧光。
共聚焦显微光路还用于将显微镜物镜收集到的荧光转换为荧光信号。该共聚焦显微光路包括激光器11、光纤耦合声光调制器12、第一光纤耦合器13、二向色镜14、第二光纤耦合器16和雪崩光电二极管17。
激光器11通过光纤与光纤耦合声光调制器12相连接，光纤耦合声光调制器12通过光纤与第一光纤耦合器13相连接。第二光纤耦合器16也通过光纤与雪崩光电二极管17。
激光由激光器11射出，通过连接激光器11与光纤耦合声光调制器12的光纤进入光纤耦合声光调制器12，再经光纤进入第一光纤耦合器13变为自由光路，激光通过自有光路透射到二向色镜14上，并经二向色镜14反射进入显微镜物镜15，最后入射到金刚石的NV色心。
金刚石的NV色心在激光和待测微波的双重作用下发出荧光，荧光经显微镜物镜15收集，穿过二向色镜14进入第二光纤耦合器16，再经连接第二光纤耦合器16与雪崩二极管17的光纤进入雪崩光电二极管17。本申请的共聚焦显微装置中部分采用光纤替代常用的自由光路，能够减少部分光学元件，并过滤了杂光。由于本申请仅保留了必要的自由光路，简化了光路调节，使实验过程较为简单。光学元件均通过相应的支架固定于普通光学平台之上。
整个共聚焦显微装置用于金刚石NV色心的激发与读出。其中，激光器11是用于激发金刚石的NV色心的电子态；光纤耦合声光调制器12控制激光的通断；第一光纤耦合器13将光纤内激光转化为自由光；二向色镜14反射第一光纤耦合器13的出射光并透过显微镜物镜15的出射光；显微镜物镜15将二向色镜14的反射光聚焦到金刚石的NV色心，并收集由金刚石的NV色心发出的荧光；第二光纤耦合器16将自由光转入光纤；雪崩光电二极管17将收集到的荧光信号转化为荧光信号并输出到信号处理装置。
图3为本申请提供的一种精密位移装置的立体示意图。
如图3所示，本申请提供的精密位移装置包括第一三维位移台21、多个伸缩柱22和第二三维位移台23。
精密位移装置的中空的第一三维位移台21用于控制金刚石40的移动，便于使用共聚焦显微装置对金刚石40的NV色心进行筛选，第二三维位移台23用于控制微波源50的移动，该微波源50用于发射待测微波，通过控制多个伸缩柱22能够控制第二三维位移台23与金刚石40的距离。第二三维位移台23利用机械装置将微波源50固定在其下表面，如图4所示。
选用中空的第一三维位移台21控制金刚石40移动的原因在于：第一三维位移台有着纳米级的位移分辨率，能够满足纳米级成像的要求；中空的特点便于共聚焦显微装置对金刚石40的NV色心进行光学测量。
本申请中利用石英盖玻片24将金刚石40与中空的第一三维位移台21相固定，金刚石40通过光学胶固定于石英盖玻片24中心，石英盖玻片具有极佳的透光性，且没有荧光效应，便于共聚焦显微装置对金刚石40的NV色心进行光学测量。
精密位移装置是为了满足实验中对磁信号的扫描。使用本申请的精密位移装置时，首先使用中空的第一三维位移台21将共聚焦显微装置的测量点锁定至所需的金刚石40的NV色心区域，然后使用伸缩支柱22和第二三维位移台23将发射待测微波的微波源50靠近金刚石40至所需位置，最后通过控制第一三维位移台21的移动对微波磁场进行扫描。
图5为本申请提供的一种静磁场调节装置的结构示意图。
如图5所示，本实施例提供的磁场调节装置包括角度圆环32、多个刻度支架31、伸缩杆33和磁体34。
角度圆环32可以在刻度支架31上下移动，并通过螺丝进行固定，用于控制磁体34的角度。刻度支架31以显微镜物镜为中心，通过机械固定的方法固定在光学平台上，用于控制磁体34的高度，其中伸缩杆33通过旋转接口331与角度圆环32连接，用于控制磁体34与金刚石的NV色心的距离。旋转接口331用于控制伸缩杆33的空间角度，磁体34通过机械装置固定在伸缩杆33的尖端，用于提供试验中所需静磁场。
该磁体34选用圆柱形永磁体，永磁体能够产生比普通电磁铁强的磁场，能够提高整个系统对静磁场的强度调节范围，而圆柱形的特点可以使得垂直永磁体底面中心的磁感线平行于伸缩杆33，方便对静磁场的角度调节。
磁场调节装置是为了满足成像测量中对静磁场强度和方向的要求。在进行实验时，首先将角度圆环32调节至刻度支架31的合适位置，调节伸缩杆33以水平向下偏45度角指向金刚石所在区域；然后微调旋转接口331，使得伸缩杆33的方向沿着金刚石的[1 0 0]晶向；最后调节伸缩杆33的长度，利用共聚焦系统对金刚石的NV色心进行连续波谱的测量，使连续波谱的最大波谷值与待测微波频率一致。当需对其他主轴方向的金刚石的NV色心进行静磁场调节时，可在以上操作的基础上直接调节旋转接口331，使其沿角度圆环32顺时针再旋转90度即可。
通过以上叙述可以发现，本申请提供的系统基于金刚石NV色心实现了对多种磁信号的纳米级分辨率测量和成像，可在半导体器件、信息技术等领域得到应用，具有以下的优点：
具备室温下纳米级分辨率成像的能力。精密位移装置采用双位移台控制，能够精密控制待测微波与金刚石的NV色心的纳米级相对位移，可以实现逐点式扫描成像。通过调节共聚焦装置，能够实现对百纳米区域内的金刚石NV色心进行激发和读出，确保了扫描成像的纳米级分辨率。
具备重构微波磁矢量场的能力。磁场调节装置采用的方向调节设计和场强调节设计，可以快速的将静磁场对准不同金刚石的NV色心的主轴方向，通过共聚焦显微装置测量金刚石NV色心的拉比振荡频率，获得不同方向的微波磁场矢量分量，从而实现对微波磁场矢量的空间重构。
具备对微波磁场，静磁场，电子自旋，核自旋等多种磁信号成像的能力。利用金刚石NV色心与磁信号之间的相互作用，通过记录金刚石NV色心的荧光强度变化得出磁信号的空间分布。
本申请所提供的系统采用532nm波长激光器，截止波长532nm的二向色镜，场强1特斯拉的圆柱形永磁体和尺寸为100um*100um*10um，含氮量约为1ppm，切面为(1 0 0)的金刚石，能够实现室温下对微波磁矢量场的纳米级成像，再辅以相关微波脉冲手段还能够实现对静磁场，电子自旋，核自旋等其他多种磁信号的成像。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种基于金刚石NV色心的微波磁场测量系统，其特征在于，包括共聚焦显微装置、精密位移装置、静磁场调节装置、具备NV色心的金刚石和信号处理装置，其中：
所述精密位移装置用于控制微波源与所述NV色心的相对位移，所述微波源用于发射待测微波；
所述静磁场调节装置用于控制施加在所述金刚石上的静磁场的场强；
所述共聚焦显微装置用于利用预设波长的激光激发所述NV色心的电子状态，记录所述NV色心在所述待测微波影响下发出的荧光，并输出反映所述荧光的荧光信号；
所述信号处理装置用于根据所述荧光信号，重构所述待测微波在纳米量级分辨率的微波磁场矢量。
2.如权利要求1所述的微波磁场测量系统，其特征在于，所述精密位移装置包括第一三维位移台、多个伸缩柱和第二三维位移台；
所述第一三维位移台用于承载所述金刚石，并控制所述金刚石的NV色心锁定在所述共聚焦显微装置的测量点处；
所述伸缩柱的一端固定在所述第一三维位移台的上表面、另一端与所述第二三维位移台相连接，用于控制所述第二三维位移台与所述金刚石的距离；
所述第二三维位移台用于固定微波源，所述微波源用于发射所述待测微波。
3.如权利要求2所述的微波磁场测量系统，其特征在于，所述精密位移装置还包括石英盖玻片，其中：
所述石英盖玻片设置在所述三维位移台的上表面，用于利用光学胶固定所述金刚石。
4.如权利要求1所述的微波磁场测量系统，其特征在于，所述静磁场调节装置包括角度圆环、多个刻度支架、伸缩杆和磁体，其中：
所述刻度支架对所述角度圆环形成支撑，并控制所述角度圆环的高度；
所述角度圆环通过螺丝与所述刻度支架固定连接；
所述伸缩杆的一端利用旋转接口固定在所述角度圆环上，并与所述角度圆环的平面成预设角度；
所述磁体固定在所述伸缩杆的另一端，用于提供所述静磁场。
5.如权利要求4所述的微波磁场测量系统，其特征在于，所述磁体为永磁体。
6.如权利要求5所述的微波磁场测量系统，其特征在于，所述永磁体为圆柱形永磁体。
7.如权利要求1所述的微波磁场测量系统，其特征在于，所述共聚焦显微装置包括共聚焦显微光路和显微镜物镜，其中：
所述共聚焦显微光路用于将激光经自由光路向所述显微镜物镜发射预设波长的激光；
所述显微镜物镜用于将所述共聚焦光路发射的激光投射到所述NV色心上，并收集所述NV色心在所述待测微波影响下发射的所述荧光；
所述共聚焦显微光路还用于将所述荧光转换为所述荧光信号。
8.如权利要求7所述的微波磁场测量系统，其特征在于，所述共聚焦显微光路包括激光器、光纤耦合声光调制器、第一光纤耦合器、二向色镜和第二光纤耦合器和雪崩光电二极管，其中
所述激光器用发射所述预设波长的激光；
所述光纤耦合声光调制器通过光纤与所述激光器相连接，用于对所述激光器发射的激光进行调制；
所述第一光纤耦合器通过光纤与所述光纤耦合声光调制器相连接，用于将经过调制的激光投射在所述二向色镜上；
所述二向色镜用于将所述激光反射到显微镜物镜；
所述第二光电耦合器通过光纤与所述雪崩光电二极管相连接，用于接收所述显微镜物镜收集的所述荧光；
所述雪崩光电二极管用于将所述第二光电耦合器接收到的所述荧光转换为所述荧光信号。
9.如权利要求1～8任一项所述的微波磁场测量系统，其特征在于，所述预设波长包括532nm。
10.如权利要求9所述的微波磁场测量系统，其特征在于，所述金刚石的尺寸为100μm*100μm*10μm、含氮量为1ppm。
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