CN107247065B - 金刚石nv色心轴向检测与定位方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种金刚石NV色心轴向检测与定位方法，包括如下步骤：（1）、将微波发射端和微波接收端对称安装在抗磁圆环内侧，微波发射端连接相位调制器输出端，相位调制器输入端连接微波源，微波接收端连接相位解调器输入端，相位解调器输出端连接AD转换芯片的模拟输入端，AD转换芯片的数字输出端连接FPGA控制芯片输入端，FPGA控制芯片进行信号处理分析并进行存储，然后输出PWM信号进入驱动电路，驱动电路输出线与水平驱动马达和俯仰驱动马达连接，水平驱动马达控制抗磁圆环进行水平旋转，俯仰驱动马达控制抗磁圆环进行俯仰旋转。

Description

金刚石NV色心轴向检测与定位方法及系统
技术领域
本发明属于量子信息解算领域，具体一种利用旋转电磁场的方法寻找金刚石NV色心轴向的检测与定位方法，通过旋转微波场和磁场找到最优激发色心的位置，优化了自旋信息，提高金刚石色心自旋信息的检测质量。
背景技术
原子核以及电子的磁性源于原子核和电子的磁距，而原子磁距又与自旋角动量有关，当原子核或是电子自旋系统在外磁场中被磁化之后，施加一定频率的微波场满足其自旋共振条件时，原子核或电子会在塞曼能级上发生自旋状态的翻转，由此形成磁共振现象。在量子传感以及量子信息解算领域中，都是利用原子核或电子同外磁场作用的原理使其发生共振然后调控自旋状态来读出相应量子的自旋信息，从而进行量子信息的相关应用。为了解除塞曼能级中ms=±1能级的简并状态，就需要施加外加磁场，并调节外加磁场的位置，使其指向NV晶轴的方向。同时，用于调控NV自旋态的微波和射频脉冲则通过微波天线辐射到NV色心所在的位置，操控NV所需的是圆偏场，而微波产生的交流电流形成的是线偏场，所以平行于NV晶轴的微波场对NV的自旋状态没有影响。在量子信息收集中，提高信号强度对信息解算至关重要。因此需要有效的NV晶轴检测与定位方法来寻找施加微波的最优位置以及施加磁场的最优指向。
发明内容
本发明为了解决金刚石NV色心信息的高效激发，研究施加磁场和微波场的最优位置，提出了自动寻找最优微波和磁场施加位置的方法，从而提高需要采集的NV色心共振信息，最终实现金刚石NV色心晶轴检测与定位。
本发明是采用如下的技术方案实现的：
一种金刚石NV色心轴向检测与定位方法，包括如下步骤：
（1）、将微波发射端和微波接收端对称安装在抗磁圆环内侧，微波发射端连接相位调制器输出端，相位调制器输入端连接微波源，微波接收端连接相位解调器输入端，相位解调器输出端连接AD转换芯片的模拟输入端，AD转换芯片的数字输出端连接FPGA控制芯片输入端，FPGA控制芯片进行信号处理分析并进行存储，然后输出PWM信号进入驱动电路，驱动电路输出线与水平驱动马达和俯仰驱动马达连接，水平驱动马达控制抗磁圆环进行水平旋转，俯仰驱动马达控制抗磁圆环进行俯仰旋转；
（2）、将具有NV色心的金刚石固定在抗磁圆环中心，采用激光器发射激光照射到金刚石表面，初始化NV色心的自旋状态，使其都布局在ms=0的状态，使金刚石完成初始化；
（3）、打开微波源，微波发射天线发出扫频信号，频率范围为2.85GHz~2.89GHz，扫频微波透过金刚石样品，微波接收天线进行透射微波的吸收，微波接收天线的信号进入FPGA控制芯片，扫频时间设置1s，每隔1s，FPGA控制芯片输出占空比增加1%，则驱动电路驱动水平驱动马达转动，抗磁圆环在水平方向发生一次微小转动，同时微波接收天线通过相位解调器解调透射过金刚石之后的微波信号，每隔1s就可以得到一个周期的共振吸收信号，FPGA控制芯片接收信号同时进行判断，求出信噪比，并存到flash中，接着对下一个周期的信号进行采集处理，将上次的数据与这次的进行对比，如果新位置的信噪比变大，那么替换之前的值，并记录占空比，接着进行下一次采集处理，当抗磁圆环水平旋转过180º以后，FPGA控制芯片会找到一个信噪比最大的占空比值，那么这个占空比就是水平方向上的最优位置；
同理，当抗磁圆环沿其俯仰方向旋转过180º以后，FPGA控制芯片也会找到一个信噪比最大的占空比值，那么这个占空比就是俯仰方向上的最优位置；此时，即可确定出金刚石NV色心轴向的位置。
本发明方法利用FPGA芯片输出控制信号，首先经过驱动电路，控制水平驱动马达转动，水平马达发生微旋转，旋转的马达带动装有微波天线的抗磁员环发生水平微移动，这样实现了磁场在样品表面的扫描移动，经过多次扫描确定水平方向的最优位置，记录当前FPGA输出占空比。之后，启动控制俯仰的驱动马达进行同样的扫描方式，最终确定一个三维空间里微波发射的最优位置，提高NV色心的自旋信号强度。同时，上述的方法对磁场的施加方向进行定位，当带有磁场的旋转轴指向NV晶轴时，塞曼能级宽度则越窄，共振吸收峰越尖锐，信噪比越高，得到更加优质的NV色心共振信号。
针对现有金刚石NV色心自旋信息收集过程中缺少简单有效的寻找NV轴向的方法，本发明提出了把微波天线以及磁场固定在三维抗磁环上，然后实现自动控制三维抗磁环旋转从而自主寻找最优的施加场位置，通过对微波信号进行相位调制，发出微波，微波透射过金刚石，电子自旋共振吸收部分微波能量，接收端采集微波信号，解调采集到的信号，得到共振吸收谱，同时由吸收谱的深度判断辐射场的施加方位，实现金刚石NV色心的晶轴检测与定位。相位调制以及解调的信号在FPGA处理分析后提高了对原始信号的探测能力，提高了自旋信息的信噪比。
附图说明
图1本发明结构示意图。
图2本发明各模块工作流程图。
图中：1-金刚石，2-激光器，3-微波发射端，4-微波接收端，5-抗磁圆环。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施例进行详细说明。
一种金刚石NV色心轴向检测与定位系统，如图1所示，包括抗磁圆环5，在环内侧打孔，用来固定微波天线。所述抗磁圆环5内侧对称安装有微波发射端3和微波接收端4，所述微波发射端3连接SMA接头，接头连接相位调制器输出端，所述相位调制器输入端连接微波源。所述微波接收端4连接SMA接头，接头连接相位解调器输入端，所述相位解调器输出端连接AD转换芯片的模拟输入端，所述AD转换芯片的数字输出端连接FPGA控制芯片输入端，所述FPGA控制芯片进行信号处理分析并进行存储，然后输出PWM信号进入驱动电路，驱动电路输出线与水平驱动马达和俯仰驱动马达连接，水平驱动马达控制抗磁圆环5进行水平旋转，俯仰驱动马达控制抗磁圆环5进行俯仰旋转；所述抗磁圆环5中心固定具有NV色心的金刚石1，金刚石样品和激光发射器放在水平支撑台上，激光器固定在二维操作平台上，通过调节二维操作平台，使激光刚好可以照射到金刚石样品表面。
具体实施时，三个微波发射端3固定在抗磁圆环5内侧卡槽中，间隔15度；一个微波接收端4固定在抗磁圆环5内侧卡槽中，其位置正对位于中部的微波发射端3。所述抗磁圆环5采用铝合金材料制备。
另外，本发明利用简单的方法设计制作微波天线。微波发射端3包括树脂板，所述树脂板上印有宽度为0.03mm的环状金属丝作为微波发射天线；所述微波接收端4包括树脂板，所述树脂板上印有宽度为0.03mm的环状金属丝作为微波接收天线。微波发射端或者微波接收端的制备方法如下：通过热压印技术将金属铜压在绝缘合成树脂板上，然后将具有天线结构图形的油纸紧贴在树脂板上，再次热压印转移图形，油纸上绘制天线结构图形的墨不溶于浓氨水，然后使用浓氨水除去树脂板上裸露的金属铜，留下天线结构，然后用砂纸把墨擦掉，形成金属铜微波天线。所述环状金属丝直径为1cm。
一种金刚石NV色心轴向检测与定位方法，包括如下步骤：
（1）、将微波发射端3和微波接收端4对称安装在抗磁圆环5内侧，微波发射端3连接相位调制器输出端，相位调制器输入端连接微波源，微波接收端4连接相位解调器输入端，相位解调器输出端连接AD转换芯片的模拟输入端，AD转换芯片的数字输出端连接FPGA控制芯片输入端，FPGA控制芯片进行信号处理分析并进行存储，然后输出PWM信号进入驱动电路，驱动电路输出线与水平驱动马达和俯仰驱动马达连接，水平驱动马达控制抗磁圆环5进行水平旋转，俯仰驱动马达控制抗磁圆环5进行俯仰旋转；
（2）、将具有NV色心的金刚石1固定在抗磁圆环5中心，采用激光器2发射激光照射到金刚石表面，初始化NV色心的自旋状态，使其都布局在ms=0的状态，使金刚石完成初始化，；
（3）、如图2所示，打开微波源，微波发射天线发出扫频信号，频率范围为2.85GHz~2.89GHz，扫频微波透过金刚石样品，微波接收天线进行透射微波的吸收，微波接收天线的信号进入FPGA控制芯片，扫频时间设置1s，每隔1s，FPGA控制芯片输出占空比增加1%，则驱动电路驱动水平驱动马达转动，抗磁圆环在水平方向发生一次微小转动，同时微波接收天线通过相位解调器解调透射过金刚石之后的微波信号，每隔1s就可以得到一个周期的共振吸收信号，FPGA控制芯片接收信号同时进行判断，求出信噪比，并存到flash中，接着对下一个周期的信号进行采集处理，将上次的数据与这次的进行对比，如果新位置的信噪比变大，那么替换之前的值，并记录占空比，接着进行下一次采集处理，当抗磁圆环水平旋转过180º以后，FPGA控制芯片会找到一个信噪比最大的占空比值，那么这个占空比就是水平方向上的最优位置；
同理，在抗磁圆环在水平旋转找到最佳位置的基础上，当抗磁圆环沿其俯仰方向旋转过180º以后，FPGA控制芯片也会找到一个信噪比最大的占空比值，那么这个占空比就是俯仰方向上的最优位置；此时，即可确定出金刚石NV色心轴向的位置。
具体操作时，532nm的激光照射金刚石样品，初始化NV色心的自旋状态，使其都布局在ms=0的状态，然后打开微波源，发出扫频信号，频率范围为2.85GHz~2.88GHz，扫频时间设置1s，每隔1s，FPGA输出占空比增加1%，驱动电路带动水平驱动马达转动，抗磁圆环绕水平位置发生微小转动，同时微波接收端通过锁相放大器解调透射过金刚石之后的微波信号，每隔1s就可以得到一个周期的共振吸收信号，FPGA接收信号同时进行判断，求出信噪比，并存到flash中，接着对下一个周期的信号进行采集处理，将上次的数据与这次的进行对比，如果新位置的信噪比变大，那么替换之前的值，并记录占空比，输出PWM信号通过驱动电路，对水平驱动马达进行微转动操控，并且将数据进行保存。接着进行下一次采集处理，当圆环水平旋转过180º以后，FPGA会找到一个信噪比最大的占空比值，那么这个占空比就是水平方向上的最优位置。之后经过同样的步骤调节控制抗磁圆环的俯仰旋转，同样可以确定一个最优PWM控制信号，记录PWM值，确定微波施加的位置，进而最终可以确定金刚石NV色心轴向的位置。
以上仅为本发明的具体实施例，但并不局限于此。任何以本发明为基础解决基本相同的技术问题，或实现基本相同的技术效果，所作出地简单变化、等同替换或者修饰等，均属于本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种金刚石NV色心轴向检测与定位方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）、将微波发射端（3）和微波接收端（4）对称安装在抗磁圆环（5）内侧，微波发射端（3）连接相位调制器输出端，相位调制器输入端连接微波源，微波接收端（4）连接相位解调器输入端，相位解调器输出端连接AD转换芯片的模拟输入端，AD转换芯片的数字输出端连接FPGA控制芯片输入端，FPGA控制芯片进行信号处理分析并进行存储，然后输出PWM信号进入驱动电路，驱动电路输出线与水平驱动马达和俯仰驱动马达连接，水平驱动马达控制抗磁圆环（5）进行水平旋转，俯仰驱动马达控制抗磁圆环（5）进行俯仰旋转；
（2）、将具有NV色心的金刚石（1）固定在抗磁圆环（5）中心，采用激光器（2）发射激光照射到金刚石表面，初始化NV色心的自旋状态，使其都布局在ms=0的状态，使金刚石完成初始化；
（3）、打开微波源，微波发射天线发出扫频信号，频率范围为2.85GHz~2.89GHz，扫频微波透过金刚石样品，微波接收天线进行透射微波的吸收，微波接收天线的信号进入FPGA控制芯片，扫频时间设置1s，每隔1s，FPGA控制芯片输出占空比增加1%，则驱动电路驱动水平驱动马达转动，抗磁圆环在水平方向发生一次微小转动，同时微波接收天线通过相位解调器解调透射过金刚石之后的微波信号，每隔1s就可以得到一个周期的共振吸收信号，FPGA控制芯片接收信号同时进行判断，求出信噪比，并存到flash中，接着对下一个周期的信号进行采集处理，将上次的数据与这次的进行对比，如果新位置的信噪比变大，那么替换之前的值，并记录占空比，接着进行下一次采集处理，当抗磁圆环水平旋转过180º以后，FPGA控制芯片会找到一个信噪比最大的占空比值，那么这个占空比就是水平方向上的最优位置；
同理，当抗磁圆环沿其俯仰方向旋转过180º以后，FPGA控制芯片也会找到一个信噪比最大的占空比值，那么这个占空比就是俯仰方向上的最优位置；此时，即可确定出金刚石NV色心轴向的位置。
2.一种金刚石NV色心轴向检测与定位系统，其特征在于：包括抗磁圆环（5），所述抗磁圆环（5）内侧对称安装有微波发射端（3）和微波接收端（4），所述微波发射端（3）连接相位调制器输出端，所述相位调制器输入端连接微波源，所述微波接收端（4）连接相位解调器输入端，所述相位解调器输出端连接AD转换芯片的模拟输入端，所述AD转换芯片的数字输出端连接FPGA控制芯片输入端，所述FPGA控制芯片进行信号处理分析并进行存储，然后输出PWM信号进入驱动电路，驱动电路输出线与水平驱动马达和俯仰驱动马达连接，水平驱动马达控制抗磁圆环（5）进行水平旋转，俯仰驱动马达控制抗磁圆环（5）进行俯仰旋转；所述抗磁圆环（5）中心固定具有NV色心的金刚石（1），所述金刚石（1）由激光器（2）照射到表面。
3.根据权利要求2所述的金刚石NV色心轴向检测与定位系统，其特征在于：三个微波发射端（3）固定在抗磁圆环（5）内侧卡槽中，间隔15度；一个微波接收端（4）固定在抗磁圆环（5）内侧卡槽中，其位置正对位于中部的微波发射端（3）。
4.根据权利要求3所述的金刚石NV色心轴向检测与定位系统，其特征在于：微波发射端（3）包括树脂板，所述树脂板上印有宽度为0.03mm的环状金属丝作为微波发射天线；所述微波接收端（4）包括树脂板，所述树脂板上印有宽度为0.03mm的环状金属丝作为微波接收天线。
5.根据权利要求4所述的金刚石NV色心轴向检测与定位系统，其特征在于：所述微波发射端或者微波接收端的制备方法如下：通过热压印技术将金属铜压在绝缘合成树脂板上，然后将具有天线结构图形的油纸紧贴在树脂板上，再次热压印转移图形，油纸上绘制天线结构图形的墨不溶于浓氨水，然后使用浓氨水除去树脂板上裸露的金属铜，留下天线结构，然后用砂纸把墨擦掉，形成金属铜微波天线。
6.根据权利要求5所述的金刚石NV色心轴向检测与定位系统，其特征在于：所述抗磁圆环（5）采用铝合金材料制备。
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