CN107356820A - 一种基于脉冲光探测磁共振的电磁场近场成像系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于脉冲光探测磁共振的电磁场近场成像系统和方法，该系统由激光泵浦光路、微波源、金刚石NV色心探头、CCD相机单元、同步系统、位移扫描平台、控制软件及数据分析成像系统所构成。该系统采用含有NV色心的金刚石大块单晶做探测单元，并采用静磁场将金刚石NV色心的磁共振峰劈开成8个峰，8个共振峰对应于金刚石晶格结构四个晶轴方向<111>,<1‑11>,<‑111>和<11‑1>，通过测量每个共振峰的拉比频率，获得垂直于该晶轴方向的圆偏振微波场强度，通过对四个方向的微波场强度进行综合计算，再构出微波矢量的强度和方向。通过对被测量微波芯片的局部区域微波近场高分辨成像，可以为芯片失效分析提供定量的数据。

Description

一种基于脉冲光探测磁共振的电磁场近场成像系统及方法

技术领域

本发明属于电磁场近场成像领域，涉及一种电磁场近场成像系统及方法。

背景技术

随着微波射频技术的不断发展，微波毫米波技术在5G通信、自动驾驶、军事航天、消费电子等方面因其高带宽、小型化、高集成度等优点而成为炙手可热的技术。毫米波近场成像技术在高分辨率目标识别以及手势检测互动等方面都有广阔的应用。对微波毫米波器件的表面电磁场近场分布进行探测并成像对于推广和应用微波毫米波技术有重要的意义。长期以来在微波射频领域，直接对微波毫米波表面的电磁场分布进行直接成像的方法还比较缺乏。本发明提供一种基于金刚石NV色心(Nitrogen Vacancy)的光检测磁共振技术的用于微波毫米波器件的表面局域电磁场分布表征的新方法。

金刚石中的NV(Nitrogen Vacancy)色心在室温下具备良好的光学和电子自旋特性。由于NV色心发出的光子序列为反聚束光子序列，具有良好的二阶关联函数，可以被用做单光子源；NV色心可以发出稳定的荧光，无光学漂白和闪烁效应，通过探测荧光强度可以读出电子自旋态。

目前人们主要通过以下几种方法对微波毫米波器件的近场进行分析：

方法一：通过软件仿真和数值计算方法对微波毫米波器件表面的电磁场近场分布进行推算，常用的软件例如HFSS。方法二：通过传统的黑盒子网络分析仪对微波毫米波器件的S参数进行测量。方法三：采用场强仪配合特制的高频天线对微波毫米波器件的表面进行扫描。方法四：采用高频近场磁场探头对微波毫米波器件的表面进行扫描。

上述目前流行的方法主要存在以下几个问题：1、软件仿真和数值计算方法在对微波毫米波的高频和高集成度芯片进行仿真的情况下，由于电磁场近场的复杂性，软件仿真不可避免的存在一定的失真。2、采用传统的黑盒子网络分析仪对微波毫米波器件的S参数进行测量仅能对器件的外部特征进行测量，说明不了器件的内部电磁场近场分布特征。3、采用场强仪配合特制的高频天线对微波毫米波器件的表面进行扫描的方法，由于特制的高频天线本身的尺寸往往比较大，扫描的精度有限；此外特制的高频天线本身是金属制作的，天线本身对电磁场存在扰动，所测量到的场是不准确的。4、采用高频近场磁场探头对微波毫米波器件的表面进行扫描的方法，由于高频探头本身是基于法拉第电磁感应原理而设计的，高频探头的尺寸最小也在3毫米，相对于微波毫米波芯片的微米级别近场探头还是太大，不能表征芯片表面近场的电磁场详细分布。

在上述技术背景下，针对微波毫米波芯片表面的近场电磁场成像的场景，现有的微波近场成像分析手段均不满足要求。因此，针对微波毫米波芯片表面的近场电磁场成像的场景，现有的微波近场成像分析手段均不满足要求。

发明内容

技术问题：本发明提供一种高分辨率、高灵敏度、对微波场进行非破坏性成像、基于光探测磁共振技术的磁场近场成像系统。

技术方案：本发明基于脉冲光探测磁共振的电磁场近场成像系统，包括用于放置样品的三维位移平台、设置所述三维位移平台上方的金刚石NV色心探头、分别与所述金刚石NV色心探头信号连接的激光泵浦光路和CCD相机单元、设置在所述金刚石NV色心探头一侧并与之连接的微波共振系统、设置在金刚石NV色心探头一侧的可调磁铁、与所述激光泵浦光路、CCD相机单元、微波共振系统分别信号连接的同步系统，所述微波共振系统用以产生施加在金刚石NV色心探头上的微波脉冲信号，所述同步系统用以产生TTL控制信号。

进一步的，本发明系统中，所述激光泵浦光路包括激光发生器、沿所述激光发生器(9)的激光出射路径依次设置的激光滤光片、聚光透镜、AOM声控光开关、光圈、发散光转平行光透镜、反射镜、分光片，所述分光片同时是CCD相机单元的组成部件；

所述微波共振系统包括依次连接的微波信号发生器、单刀双掷开关、微波功放、射频隔离器；

所述金刚石NV色心探头包括云母衬底、放置在所述云母衬底上的微波共振小环天线、设置在所述微波共振小环天线中的的金刚石颗粒，所述微波共振小环天线与射频隔离器连接。

所述CCD相机单元包括沿光线传输路径依次设置的物镜、分光片、滤光片、成像透镜、CCD相机；

所述同步系统包括四路TTL信号发生器，所述四路TTL信号发生器分别引出一路信号通路，其中第一个信号通路的信号连接AOM声控光开关(12)，第二个信号通路的信号连接单刀双掷开关(22)，第三个信号通路的信号连接微波信号发生器(21)，第四个信号通路的信号连接CCD相机(19)的同步端口。

位移扫描平台用以放置被测微波器件并进行X/Y轴平面扫描。

进一步的，本发明系统中，所述分光片用以将激光光线反射向金刚石NV色心探头，将样品经照射产生的荧光折射向滤光片、成像透镜、CCD相机构成的探测光路。

进一步的，本发明系统中，所述激光发生器为高稳定度激光发生器，所述激光滤光片的波长为532nm，所述金刚石颗粒为纳米级的金刚石颗粒，所述CCD相机为63帧/秒的高速CCD相机。

进一步的，本发明系统中，所述AOM声控光开关中设置有位于聚光透镜焦点上的晶体，所述可调磁铁与金刚石NV色心探头之间的距离可调，可调磁铁用以产生了一个劈开了金刚石NV色心中的量子三重态的固定磁场。

进一步的，本发明系统中，所述微波共振小环天线包括间隔设置的第一微波小环天线和第二微波小环天线，金刚石纳米颗粒设置在所述第一微波小环天线和第二微波小环天线之间。

本发明的基于脉冲光探测磁共振的电磁场近场成像方法，包括以下步骤：

1)同步系统产生TTL控制信号，控制激光泵浦光路产生探测平行脉冲光线射向金刚石NV色心探头，同时控制微波共振系统产生微波脉冲信号并施加在金刚石NV色心探头上；

2)金刚石NV色心探头将探测平行脉冲光线射向样品，样品经过照射后发出荧光，荧光通过分光片折射向滤光片、成像透镜、CCD相机构成的探测光路，并最终射入CCD相机；

3)同步系统根据产生的TTL控制信号控制CCD相机进行拍照；

4)三维位移平台将样品在X轴向和Y轴向上进行移动，按照步骤1)至3)的流程使CCD相机捕捉到多个图像帧；

5)通过对所有图像帧进行排序，并选定一个固定的分析区域，将该分析区域中的图像帧进行排序，并以帧的序号为依据计算得到频率或脉冲的长度，再计算图像帧中的像素的平均值，将频率或脉冲的长度作为纵轴、将像素的平均值作为横轴，并绘制金刚石NV色心的ODMR光探测磁共振谱和Rabi频率曲线：

6)计算出金刚石NV色心在碳晶格中的四个可能方向的微波场的强度分量，再对所述四个可能方向的微波场的强度分量进行计算，得到微波场的真实的强度和方向；对每一点的微波场的强度用色温来表示，从而得到微波场的图像。

进一步的，本发明方法中，所述同步系统产生的TTL信号包括以下根据以下时序步和内容：时序1：打开AOM声控光开关；时序2：打开单刀双掷开关；时序3：打开微波信号发生器；时序4：打开CCD相机。

进一步的，本发明方法中，所述步骤1)中，激光泵浦光路产生探测平行脉冲光线射向金刚石NV色心探头的具体方法为：激光发生器发射激光光线，激光光线通过激光滤光片进行滤光，然后通过聚光透镜聚光并照射在AOM声控光开关的晶体上，同步系统通过TTL信号对AOM声控光开关的打开和关闭进行控制，使AOM声控光开关将激光光线变成激光脉冲光线，所述激光脉冲光线由于布拉格衍射效应变成多束脉冲光线，所述多束脉冲光线经光圈滤光后，多束脉冲光线中的布拉格一级衍射光作为探测脉冲光线，所述探测脉冲光线经过发散光转平行光透镜进行散射，变成平行光线的折射，形成探测平行脉冲光线，所述探测平行脉冲光线经反射镜反射向分光片，分光片将探测平行脉冲光线折射向金刚石NV色心探头；

微波共振系统产生微波脉冲信号并施加在金刚石NV色心探头上的具体方法为：同步系统根据产生的TTL信号打开单刀双掷开关和微波信号发生器，微波信号发生器发出微波信号并传送给单刀双掷开关，同步系统通过TTL信号控制单刀双掷开关的通断，将微波信号变成微波脉冲信号，所述微波脉冲信号经射频功放的放大后传送给射频隔离器，射频隔离器将微波脉冲信号传送给微波小环共振天线，微波脉冲信号通过微波小环共振天线施加在金刚石NV色心探头上，使微波信号在在金刚石NV色心探头中转化为空间电磁场。

进一步的，本发明方法中，所述步骤5)中绘制金刚石NV色心的ODMR光探测磁共振谱和Rabi频率曲线的具体方法为：

步骤1：不断的重复执行步骤1)到步骤4)，直到金刚石NV色心的ODMR光探测磁共振谱和Rabi频率曲线中出现8个相互独立的波峰；

步骤2；所述8个互相独立的波峰代表4组左右对称共振点；每一组左右对称共振点对应于金刚石NV色心轴在金刚石的碳晶格中的4个方向；每一组左右对称共振点的左边的共振点对应于从自旋量子数ms＝0到自旋量子数ms＝-1的共振峰，右边的共振点对应于从自旋量子数ms＝0到自旋量子数ms＝+1的共振峰；将共振频率分别设置为8个共振点各自对应的共振频率，然后分别对每一个共振点再进行Rabi频率的试验；

步骤3：按照以下函数对Rabi频率数据进行数据拟合：

F(γ_NVB'_±,MWτ)＝F₀(1-C/2)+CF₀/2·COS(2πγ_NVB'_±,MWτ)·e^-τ/τR

式中，F₀为没有微波脉冲时的参考荧光强度，F(γ_NVB'_±,MWτ)为实测到的荧光强度，C为与荧光对比度有关的系数，τR为Rabi频率的衰退时间，τ为微波脉冲时间，γ_NV为NV色心的旋磁比，B'_±,MW中，为微波场的右旋的极化分量，为微波场的左旋的极化分量，

根据上面数据拟合函数，计算出Rabi频率Ω_±＝2πγ_NVB'_±,MW；

步骤5：根据下式计算垂直于NV色心轴向的磁场强度得到垂直于该NV色心轴向的微波场的强度分量：

本发明系统的实现方法包括三个部分：1、系统硬件框架及结构；2、系统软件流程；3、电磁场测量及成像算法；这三个部分是有机结合的整体，单独看其中任何一部分并不是本发明的全部，只有三个部分结合起来才是唯一区别本发明与其它发明的重要特征。

本发明的基于脉冲光探测磁共振的电磁场近场成像系统，其系统硬件框架及结构如说明书附图1所示，包括以下部分：

激光泵浦以及成像光路，光路负责将泵浦激光施加到被测样品上，并由成像光路探测和收集被测样品在激光泵浦的作用下发出的荧光。

微波共振系统，该系统负责施加共振微波到被测样品上，调控样品中NV色心的量子态。

金刚石NV色心探头，负责探测被测样品的微波场。

同步系统，该系统将激光泵浦光路、共振微波系统、CCD相机协调起来一起工作。

位移扫描平台，该平台负责移动被测样品，对被测样品的表面进行扫描。

距离可调固定磁铁，该磁铁的作用是创造一个固定磁场的环境，劈开金刚石NV色心中的量子三重态，通过三重态的能级间距可以测量固定磁场的大小。

样品，样品可以是被探测的目标高频微波芯片。

其中激光泵浦以及成像光路的光路图如图2所示，由以下部分组成：

激光发生器，该激光发生器做为激光源应具备较高的稳定度，光源不稳定会导致引入较大的背景噪声，光源的光强度波动会导致光探测磁共振谱发生波动，影响分析软件对外界磁场的强度计算结果。

在光路上放置在激光发生器后面的是激光滤光片，其作用是对激光发出的光进行净化，确保光泵浦激光的纯净度。

在激光滤光片后面的是平行光转汇聚光透镜，其作用是将平行激光聚焦到后续的AOM声控光开关中的晶体上，汇聚光的焦点与光开关中的晶体在同一点时，AOM声控光开关的切换效果最好。

AOM声控光开关放置在平行光转汇聚光透镜的焦点处，AOM声控光开关由外部同步系统发出的TTL信号控制，通过对激AOM声控光开关控制，生成激光脉冲信号。

放置光开关后面的光圈，激光经过光开关控制以后，会由布拉格衍射效应变成多束光，光圈放置在合适位置，选取光开关后的布拉格一级衍射光。

放置在光圈后面的是发散光转平行光透镜，其焦点与光开关的晶体位置重合，将经过光开关之后的发散光转化为平行光。

经过汇聚的平行光照射在分光片上，其中一路照射到物镜上。

物镜将平行激光脉冲聚焦在物镜前面的样品上。

被测物发出的荧光经过物镜、荧光滤光片、照射到CCD相机前面的成像透镜上，CCD相机是由63帧/秒的高速CCD相机。

微波共振系统的结构图如图3所示，由以下部分组成：

微波信号发生器，该信号源由同步系统产生的TTL信号控制，可以以一定的频率间隔进行扫频。

放置在信号源后面是单刀双掷开关，该单刀双掷开关由同步系统产生的TTL信号控制对微波信号进行调制，生成微波脉冲。

放置在微波开关后面是微波功放，该功放对微波脉冲信号的强度放大。

放置在微波功放后面的是射频隔离器，对微波信号进行单向隔离，防止由于微波和终端负载阻抗不匹配而导致微波信号被反射回微波功放，造成功放损坏。

微波共振小环天线是将共振微波信号施加到金刚石NV色心的关键器件，该共振小环天线将导线上的微波信号转化为空间电磁场。

金刚石NV色心探头的结构如图4所示，金刚石NV色心是由放置到云母衬底上的微波共振小环天线、设置在微波共振小环天线中的金刚石颗粒组成。金刚石NV色心是经1200度高温淬火，经离子注入工艺处理后，形成氮-空位组合，也就是NV色心。

同步系统的结构如图5所示，同步系统是由四路TTL信号发生器分别引出四路信号通路，其中信号1连接激光泵浦光路的光开关，信号2连接微波共振系统的微波开关，信号3连接微波信号发生器，信号4连接CCD相机同步端口。

位移扫描平台是可以进行X/Y轴平面扫描，将被测微波器件放置于该平台上，将金刚石NV色心探头放置于被测微波器件上方，通过控制X/Y轴位置对被测器件进行移动。

本发明的基于脉冲光探测磁共振的电磁场近场成像方法，其流程如说明书附图6所示：

601、通过厂家提供的SDK可以分别正常控制四路TTL信号发生器的信号时序以及信号的开启和停止。

602、通过厂家提供的SDK控制微波信号发生器设置扫频范围，步进频率和微波信号强度以及工作方式。

603、通过厂家提供的SDK控制CCD相机的触发模式、触发源、曝光时间、增益等参数。

604、设置微波信号发生器和CCD相机的工作模式为外部触发，设置好微波信号发生器和CCD相机的其它参数以后，分别使微波信号发生器和CCD相机进入等待触发的工作状态。

605、对微波信号发生器中的四路TTL信号发生器的信号时序编程编辑，在设置好相应的时序以后，开始四路TTL信号，同步控制光开关、微波开关、微波信号发生器、CCD相机一起按照TTL信号时序协调工作。

606、在预算设定的工作全部结束以后，CCD相机捕捉到一定数目的图像帧，通过对图像帧序列选定一个固定的分析区域，以捕捉到的帧序号为基础计算得到的频率或脉冲长度为横轴，以图像帧中一定区域内像素的求平均值为纵轴，即可在不同的TTL信号时序模式下得到金刚石NV色心的ODMR光探测磁共振谱和Rabi频率曲线。

本发明的基于脉冲光探测磁共振的电磁场近场成像系统，其电磁场测量及成像算法如说明书附图8所示：

801、首先将系统调试准备好，进入工作状态，进行金刚石的ODMR谱的测试，ODMR的测试过程参见601-606。

802、不断重复ODMR的测试，直至ODMR谱中出现8个互相独立的峰，如图9所示。ODMR的8个峰呈现左右对称的特性，从8个峰的中心分开每一组左右两个峰，分别有4组共振点；每一组对应于NV色心轴在金刚石的碳晶格中的4个方向。每一组数据中的左边的数据对应于从自旋量子数m_s＝0到自旋量子数m_s＝-1的共振峰，右边的数据对应于从自旋量子数m_s＝0到自旋量子数m_s＝+1的共振峰。将共振频率分别设置在8个共振峰的每一个峰的共振频率处，然后分别对每一个共振点再进行Rabi频率的试验。

803、由于Rabi频率数据衰减的很快，要想提取准确的Rabi频率需要对Rabi频率数据进行数据拟合，数据拟合按照以下函数进行拟合：

F(γ_NVB'_-,MWτ)＝F₀(1-C/2)+CF₀/2·COS(2πγ_NVB'_-,MWτ)·e^-τ/τR

以上公式中F₀为没有微波脉冲时的参考荧光强度，为实测到的荧光强度，C为与荧光对比度有关的系数，τR为Rabi频率的衰退时间，τ为微波脉冲时间；根据数据拟合函数，可以计算出Rabi频率，Rabi频率与微波场的强度之间的对应关系为：

Ω_±＝2πγ_NVB'_±,MW，其中γ_NV为NV色心的旋磁比，B'_±,MW分别对应微波场的右旋和左旋的极化分量。

804、根据803中的算法分别在左边和右边的谐振点上计算，可以分别计算出和

在计算得到和以后，需要进一步计算垂直于NV色心轴向的磁场强度这样就得到了垂直于该NV色心轴向的微波场的强度分量。

805、分别对802中ODMR测试得到的四对谐振峰进行Rabi频率的测量，可以得到金刚石NV色心在碳晶格中的四个可能方向的微波场的强度分量。对四个可能方向的强度分量进行计算，可以综合得到微波场的真实的强度和方向。

806、对805中的得到的数据利用计算机进行处理，对每一点的微波场的强度用色温来表示，可以得到微波场的图像。

针对微波毫米波芯片表面的近场电磁场成像场景的需求，本发明提供一种基于脉冲光探测磁共振的电磁场近场成像系统及方法，以解决上述问题。本发明基于脉冲光探测磁共振的电磁场近场成像系统的实现方法，应用于微波毫米波芯片表面的近场电磁场成像的场景。本发明不仅局限于对微波芯片进行微波场成像，也适合于对其它微波毫米波器件或微波毫米波电路进行成像，由此类推的其它场景，均可以使用本发明。基于光学的光探测磁共振磁场探测方法可以做到很高的灵敏度，并且对被测微波场没有扰动。

本发明通过将被测微波毫米波器件放置于金刚石NV色心探头下方，本系统通过控制软件控制金刚石NV色心探头在微波毫米波器件表面一定高度进行扫描，每扫描一点由该系统的软件控制CCD相机探测该点的磁共振荧光信号，由系统软件对荧光信号进行分析，生成该点的磁场强度图像。当金刚石NV色心探头在微波毫米波器件表面扫描一遍后，本系统既可以生成微波毫米波器件的表面在扫描区域内的电磁场分布图像。该系统采用脉冲光探测磁共振的方法进行扫描点的微波成像，脉冲光探测磁共振技术是本系统特有的成像技术，是本系统不同于其它微波毫米波成像系统的重要特征。

本发明的基于脉冲光探测磁共振的电磁场近场成像系统及方法，利用金刚石中的NV色心在外界高频电磁场共振下二能级系统量子态会产生周期性反转的Rabi振荡特性，通过探测NV色心的周期性荧光强度变化，检测外界毫米波电磁场的强度和方向，并对毫米波电磁场进行近场成像，适用于对微波毫米波器件的表面电磁场近场分布进行探测并成像。本发明中，基于光探测磁共振技术的磁场近场成像系统和方法可以做到很高的灵敏度，并且对被测微波场没有扰动，具有高分辨率、高灵敏度的特点，能够对微波场进行非破坏性成像。

本发明通过微波和光泵浦调控操作NV色心能级演化路径，该方法所研究的NV色心具有C3v对称结构，其量子能级是由3A2结构的自旋三重态的基态、3E结构三重态激发态和1A亚稳态组成，NV色心的量子能级在光泵浦作用下将能级初始化到|1>态即自旋量子数ms＝0，自旋态|2>态对应于自旋量子数ms＝+-1，从基态自旋态|1>和自旋态|2>有着不同的到激发态和亚稳态的能级演化路径，这些能级演化路径上有不同的非辐射跃迁过程，本方法通过微波脉冲调控操作能级演化路径，通过NV色心荧光的变化探测能级自旋态，并通过荧光探测读取末态，最终获得所探测的目标磁场图像。

本发明所提出的基于脉冲光探测磁共振的电磁场近场成像系统及方法正是可以满足针对微波毫米波芯片表面的近场电磁场成像的场景的需求。这样的系统及其实现方法具备几个特点：1、高分辨率，金刚石NV色心探头的尺寸非常小，本发明所采用的金刚石颗粒采用离子注入等特殊工艺加工，最小尺寸可以达到1微米，如采用金刚石薄膜，分辨率可达光学衍射极限，这大大提高了被探测磁场的分辨率；2、基于脉冲光探测磁共振方法的磁场探测灵敏度可以达到纳特斯拉(nT)，这大大提高了磁场成像的灵敏度；3、金刚石颗粒本身的化学成分为碳和杂质氮，这两种物质均对电磁场没有扰动，因此本发明可以做到非破坏性成像。4、本发明系统主要采用光学探测的方法，利用软件进行数值处理并成像，因此本系统的结构简单，造价相对较低。该系统主要应用于对微波毫米波器件的表面电磁场近场进行成像，该方法适用于对微波矢量分布成像要求高空间分辨率、可调谐微波频率、高电磁场测量灵敏度、量子标定、对微波场的非破坏性成像的应用场景。

本发明方法利用金刚石中的NV色心的电子自旋与光泵浦和微波的耦合作用，结合NV色心在外界高频电磁场共振下二能级系统量子态会产生周期性反转的Rabi振荡特性，通过探测NV色心的ODMR(Optically detected magnetic resonance)以及Rabi频率，检测外界毫米波电磁场的强度和方向，并对微波毫米波器件近场进行成像。

综上所述，本发明所提出的一种基于脉冲光探测磁共振的电磁场近场成像系统及方法，符合微波毫米波芯片表面的近场电磁场成像场景的需求，具备高分辨率、高灵敏度、非破坏性成像、成本较低的特点，该设备的发明对于推动微波毫米波技术的发展起到了重要的作用。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

通过本发明，我们可以得到被测量微波器件的微波场图像以及每一个点的微波场强度和矢量的方向。与传统的微波场测量手段相比，本发明所发明的微波器件的微波场成像测量方法相比具备以下优点：1、由于本发明可以采用本发明所发明的微波场成像方法，具有比传统的微波场成像方法具有更高的空间分辨率，如果采用颗粒状金刚石分辨率可达1微米，如果采用金刚石薄膜，空间分辨率可达光学衍射极限。2、本发明所发明的微波场成像方法，具有比某些传统的微波场成像方法具有更高的探测灵敏度，目前本专利发明的微波场成像方法采用高纯度金刚石做探头的情况下，探测灵敏度可达-44dbm；传统的微波场成像方法由于热噪声和外界噪声的干扰，探测灵敏度往往不能达到-44dbm。3、本发明具有对微波场的非破坏性成像的特点，由于本发明所采用的微波探头是由金刚石材料制成，探头不含任何金属，采用光探测的方法也不需要在金刚石上引电极，因此金刚石对微波场可以做到非破坏性探测。4、本发明的微波场成像设备具有结构简单，造价低廉的特点，具备推广应用的价值。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

图1为本发明成像系统的硬件框架及结构示意图；

图2为本发明系统中激光泵浦以及成像光路的光路示意图；

图3为本发明系统中微波共振系统结构图；

图4为本发明系统中金刚石NV色心探头结构图；

图5为本发明系统中同步系统结构图；

图6为本发明方法流程图；

图7为本发明方法中激光和脉冲泵浦时序图；

图8为本发明方法中电磁场测量及成像算法流程图；

图9本发明方法中测量得到的ODMR图谱示意图。

图中有：同步系统1、激光泵浦光路2、CCD相机单元3、可调磁铁4、金刚石NV色心探头5、微波共振系统6、样品7、三维位移平台8、激光发生器9、激光滤光片10、聚光透镜11、AOM声控光开关12、光圈13、发散光转平行光透镜14、反射镜15、分光片16、滤光片17、成像透镜18、CCD相机19、微波信号发生器21、单刀双掷开关22、微波功放23、射频隔离器24、微波共振小环天线25、第一微波小环天线26、第二微波小环天线27、云母衬底28、金刚石颗粒29、物镜30。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步的说明。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

装置实施例1：

根据本发明，假设该系统对一个微波芯片进行微波场的测量，本实施例利用本发明实现微波场测量成像的具体实现方法如下：

1、首先把该系统调试好，激光强度设置为15毫瓦左右，微波强度设置为0dbm，微波扫描频率区间设置为2500MHz-3300MHz。

2、将CCD曝光时间设置为17980微秒，帧率为63，增益为1，触发模式为外部硬件触发，每次触发采集1帧。

3、设置好同步系统的TTL信号的时序，初始化激光300ns左右，微波脉冲50ns左右，激光Readout脉冲与初始化激光脉冲间隔3微秒。

4、把微波芯片放置在NV色心探头下方，微波芯片尽量紧贴NV色心探头，距离在1毫米以内。

5、在确认CCD相机、微波源都处于等待触发模式以后，打开同步TTL系统进行同步触发。

6、首先进行ODMR谱测量，对金刚石NV色心的共振峰进行扫描，在扫描得到8个共振峰以后，记录下每一个共振峰所对应的频点的位置。

7、对8个共振峰分别进行Rabi频率扫描，记下来每一个共振峰的Rabi谱数据，采用803中的算法进行数据拟合，计算准确的对应的Rabi频率。

8、采用804中的算法推算出垂直于NV色心轴向的微波场的强度。依次计算8个共振峰对应的4个NV色心轴向的微波场的强度。

9、将四个NV色心轴向的微波场的强度进行综合运算，得到当前测量点的微波场的综合强度和方向，并将该数据记下。

10、通过软件控制三维纳米位移平台，依次对被测量的微波芯片的空间XY轴向的每一个点进行重复1-9的测量。

11、在得到微波芯片的每一个点的微波场的强度和方向以后，对整个微波芯片的被扫描区域按照微波场的强度与色温之间建立对应关系，通过色温来表征微波芯片表面的微波场图像。

通过以上装置实施例1，即可以得到整个被测量微波芯片的微波场的图像。

装置实施例2：

根据本发明，假设该系统对一个微波芯片进行电磁兼容问题的诊断测量，本实施例利用本发明实现微波芯片的电磁兼容诊断测量的具体实现方法如下：

1、对微波芯片表面的微波场的图像进行分析，微波芯片内部不同的导线都等同于一个微波波导，同时每一个微波导线都等同一个天线；先切断一部分微波波导B的信号，仅保留要测量辐射骚扰发射的微波波导A的信号。

2、重复装置实施例1中的1到11。即可得到微波波导A在微波波导B处产生的骚扰电磁场的图像。根据图像就可以获知微波波导A对微波波导B的影响程度。

3、再打开微波波导B的信号源，分别观察在微波波导A关闭和打开时微波波导B的信号，就可以知道微波波导B的抗辐射干扰的程度。

通过以上装置实施例2，即可以逐步排查，解决微波芯片的电磁兼容诊断测量问题。

装置实施例3：

根据本发明，假设该系统对微波共振腔进行腔内电磁场分布的表征测量，本实施例利用本发明实现对微波共振腔进行腔内电磁场分布的表征测量的具体实现方法如下：

1、将该系统的金刚石探头替换为一根单模光纤，光纤一端粘有金刚石，另一端放置在探头物镜30的焦点下。探头物镜30通过将泵浦激光聚焦到单模光纤上，将激光通过光纤打到金刚石上，金刚石发出的荧光也可以通过光纤被物镜30收集。

2、将金刚石光纤探头插入微波共振腔。

3、重复装置实施例1中的1到9。

4、通过软件控制三维纳米位移平台，依次对被测量的微波共振腔的空间XYZ三维立体空间的每一个点进行重复装置实施例1中的1-9的测量。

5、在得到微波共振腔的立体空间每一个点的微波场的强度和方向以后，对整个微波共振腔的被扫描区域按照微波场的强度与色温之间建立对应关系，通过色温来表征微波共振腔内的微波场图像。

通过以上装置实施例3，即得到微波共振腔内的立体空间的电磁场分布图像信息。

装置实施例4：

根据本发明，假设该系统对微波天线进行天线近场电磁场分布的表征测量，本实施例利用本发明实现对微波天线进行天线近场电磁场分布的具体实现方法如下：

1、将微波共振腔替换为微波天线。

2、重复装置实施例3中的1到5。

3、得到微波天线的近场立体空间每一个点的微波场的强度和方向以后，对整个微波共振腔的被扫描区域按照微波场的强度与色温之间建立对应关系，通过色温来表征微波天线的近场立体空间内的微波场图像。

通过以上装置实施例4，即得到微波天线近场附近的立体空间的电磁场分布图像信息。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的流程、技术、系统和模块，只有相互配合才能正常工作，因此只有保持整个系统的完整性才能正确的描述本发明。实施例仅描述了微波芯片成像的典型场景，由此类推的其它场景，均可以使用本发明，并在本发明的保护范围内。

上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于脉冲光探测磁共振的电磁场近场成像系统，其特征在于，该系统包括用于放置样品的三维位移平台(8)、设置所述三维位移平台(8)上方的金刚石NV色心探头(5)、分别与所述金刚石NV色心探头(5)信号连接的激光泵浦光路(2)和CCD相机单元(3)、设置在所述金刚石NV色心探头(5)一侧并与之连接的微波共振系统(6)、设置在金刚石NV色心探头(5)一侧的可调磁铁(4)、与所述激光泵浦光路(2)、CCD相机单元(3)、微波共振系统(6)分别信号连接的同步系统(1)，所述微波共振系统(6)用以产生施加在金刚石NV色心探头(5)上的微波脉冲信号，所述同步系统(1)用以产生TTL控制信号。

2.根据权利要求1所述的基于脉冲光探测磁共振的电磁场近场成像系统，其特征在于，所述激光泵浦光路(2)包括激光发生器(9)、沿所述激光发生器(9)的激光出射路径依次设置的激光滤光片(10)、聚光透镜(11)、AOM声控光开关(12)、光圈(13)、发散光转平行光透镜(14)、反射镜(15)、分光片(16)，所述分光片(16)同时是CCD相机单元的组成部件；

所述微波共振系统(6)包括依次连接的微波信号发生器(21)、单刀双掷开关(22)、微波功放(23)、射频隔离器(24)；

所述金刚石NV色心探头(5)包括云母衬底(28)、放置在所述云母衬底(28)上的微波共振小环天线(25)、设置在所述微波共振小环天线(25)中的的金刚石颗粒(29)，所述微波共振小环天线(25)与射频隔离器(24)连接。

所述CCD相机单元包括沿光线传输路径依次设置的物镜(30)、分光片(16)、滤光片(17)、成像透镜(18)、CCD相机(19)；

所述同步系统包括四路TTL信号发生器，所述四路TTL信号发生器分别引出一路信号通路，其中第一个信号通路的信号连接AOM声控光开关(12)，第二个信号通路的信号连接单刀双掷开关(22)，第三个信号通路的信号连接微波信号发生器(21)，第四个信号通路的信号连接CCD相机(19)的同步端口。

位移扫描平台用以放置被测微波器件并进行X/Y轴平面扫描。

3.根据权利要求1所述的基于脉冲光探测磁共振的电磁场近场成像系统，其特征在于，所述分光片(16)用以将激光光线折射向金刚石NV色心探头(5)，将样品经照射产生的荧光折射向滤光片(17)、成像透镜(18)、CCD相机(19)构成的探测光路。

4.根据权利要求1、2或3所述的基于脉冲光探测磁共振的电磁场近场成像系统，其特征在于，所述激光发生器(9)为高稳定度激光发生器，所述激光滤光片(10)的波长为532nm，所述金刚石颗粒(29)为纳米级的金刚石颗粒，所述CCD相机(19)为63帧/秒的高速CCD相机。

5.根据权利要求1、2或3所述的基于脉冲光探测磁共振的电磁场近场成像系统，其特征在于，所述AOM声控光开关(12)中设置有位于聚光透镜(11)焦点上的晶体，所述可调磁铁(4)与金刚石NV色心探头(5)之间的距离可调，可调磁铁(4)用以产生了一个劈开了金刚石NV色心中的量子三重态的固定磁场。

6.根据权利要求1、2或3所述的基于脉冲光探测磁共振的电磁场近场成像系统，其特征在于，所述微波共振小环天线(25)包括间隔设置的第一微波小环天线(26)和第二微波小环天线(27)，金刚石纳米颗粒(29)设置在所述第一微波小环天线(26)和第二微波小环天线(27)之间。

7.一种基于脉冲光探测磁共振的电磁场近场成像方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)同步系统(1)产生TTL控制信号，控制激光泵浦光路(2)产生探测平行脉冲光线射向金刚石NV色心探头(5)，同时控制微波共振系统(6)产生微波脉冲信号并施加在金刚石NV色心探头(5)上；

2)金刚石NV色心探头(5)将探测平行脉冲光线射向样品(7)，样品(7)经过照射后发出荧光，荧光通过分光片(16)折射向滤光片(17)、成像透镜(18)、CCD相机(19)构成的探测光路，并最终射入CCD相机(19)；

3)同步系统(1)根据产生的TTL控制信号控制CCD相机(19)进行拍照；

4)三维位移平台(8)将样品(7)在X轴向和Y轴向上进行移动，按照步骤1)至3)的流程使CCD相机(19)捕捉到多个图像帧；

5)通过对所有图像帧进行排序，并选定一个固定的分析区域，将该分析区域中的图像帧进行排序，并以帧的序号为依据计算得到频率或脉冲的长度，再计算图像帧中的像素的平均值，将频率或脉冲的长度作为纵轴、将像素的平均值作为横轴，并绘制金刚石NV色心的ODMR光探测磁共振谱和Rabi频率曲线：

6)计算出金刚石NV色心在碳晶格中的四个可能方向的微波场的强度分量，再对所述四个可能方向的微波场的强度分量进行计算，得到微波场的真实的强度和方向；对每一点的微波场的强度用色温来表示，从而得到微波场的图像。

8.根据权利要求7所述的基于脉冲光探测磁共振的电磁场近场成像方法，其特征在于，所述同步系统(1)产生的TTL信号包括以下根据以下时序步和内容：时序1：打开AOM声控光开关(12)；时序2：打开单刀双掷开关(22)；时序3：打开微波信号发生器(21)；时序4：打开CCD相机(19)。

9.根据权利要求7或8所述的基于脉冲光探测磁共振的电磁场近场成像方法，其特征在于，所述步骤1)中，激光泵浦光路(2)产生探测平行脉冲光线射向金刚石NV色心探头(5)的具体方法为：激光发生器(9)发射激光光线，激光光线通过激光滤光片(10)进行滤光，然后通过聚光透镜(11)聚光并照射在AOM声控光开关(12)的晶体上，同步系统(1)通过TTL信号对AOM声控光开关(12)的打开和关闭进行控制，使AOM声控光开关(12)将激光光线变成激光脉冲光线，所述激光脉冲光线由于布拉格衍射效应变成多束脉冲光线，所述多束脉冲光线经光圈(13)滤光后，多束脉冲光线中的布拉格一级衍射光作为探测脉冲光线，所述探测脉冲光线经过发散光转平行光透镜(14)进行散射，变成平行光线的折射，形成探测平行脉冲光线，所述探测平行脉冲光线经反射镜(15)反射向分光片(16)，分光片(16)将探测平行脉冲光线折射向金刚石NV色心探头(5)；

微波共振系统(6)产生微波脉冲信号并施加在金刚石NV色心探头(5)上的具体方法为：同步系统(1)根据产生的TTL信号打开单刀双掷开关(22)和微波信号发生器(21)，微波信号发生器(21)发出微波信号并传送给单刀双掷开关(22)，同步系统(1)通过TTL信号控制单刀双掷开关(22)的通断，将微波信号变成微波脉冲信号，所述微波脉冲信号经射频功放(23)的放大后传送给射频隔离器(24)，射频隔离器(24)将微波脉冲信号传送给微波小环共振天线(25)，微波脉冲信号通过微波小环共振天线(25)施加在金刚石NV色心探头(5)上，使微波信号在在金刚石NV色心探头(5)中转化为空间电磁场。

10.根据权利要求7或8所述的基于脉冲光探测磁共振的电磁场近场成像方法，其特征在于，所述步骤5)中绘制金刚石NV色心的ODMR光探测磁共振谱和Rabi频率曲线的具体方法为：

步骤1：不断的重复执行步骤1)到步骤4)，直到金刚石NV色心的ODMR光探测磁共振谱和Rabi频率曲线中出现8个相互独立的波峰；

步骤2；所述8个互相独立的波峰代表4组左右对称共振点；每一组左右对称共振点对应于金刚石NV色心轴在金刚石的碳晶格中的4个方向；每一组左右对称共振点的左边的共振点对应于从自旋量子数ms＝0到自旋量子数ms＝-1的共振峰，右边的共振点对应于从自旋量子数ms＝0到自旋量子数ms＝+1的共振峰；将共振频率分别设置为8个共振点各自对应的共振频率，然后分别对每一个共振点再进行Rabi频率的试验；

步骤3：按照以下函数对Rabi频率数据进行数据拟合：

Fγ_NVB'_±,MWτ＝F₀(1-C/2)+CF₀/2·COS(2πγ_NVB'_±,MWτ)·e^-τ/τR

式中，F₀为没有微波脉冲时的参考荧光强度，F(γ_NVB'_±,MWτ)为实测到的荧光强度，C为与荧光对比度有关的系数，τR为Rabi频率的衰退时间，τ为微波脉冲时间，γ_NV为NV色心的旋磁比，B'_±,MW中，B'_+,MWτ为微波场的右旋的极化分量，B'_-,MWτ为微波场的左旋的极化分量，

根据上面数据拟合函数，计算出Rabi频率Ω_±＝2πγ_NVB'_±,MW；

步骤5：根据下式计算垂直于NV色心轴向的磁场强度B'_⊥,MWτ，得到垂直于该NV色心轴向的微波场的强度分量：

<mrow> <msubsup> <mi>B</mi> <mrow> <mo>&amp;perp;</mo> <mo>,</mo> <mi>M</mi> <mi>W</mi> <mi>&amp;tau;</mi> </mrow> <mo>,</mo> </msubsup> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <msqrt> <mn>2</mn> </msqrt> </mfrac> <msubsup> <mi>B</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mo>,</mo> <mi>M</mi> <mi>W</mi> <mi>&amp;tau;</mi> </mrow> <mo>,</mo> </msubsup> <mo>+</mo> <mfrac> <mi>i</mi> <msqrt> <mn>2</mn> </msqrt> </mfrac> <msubsup> <mi>B</mi> <mrow> <mo>+</mo> <mo>,</mo> <mi>M</mi> <mi>W</mi> <mi>&amp;tau;</mi> </mrow> <mo>,</mo> </msubsup> <mo>.</mo> </mrow> 3