CN107831153A - 一种新型的三维扫描的自旋浓度测量系统及测量方法 - Google Patents

一种新型的三维扫描的自旋浓度测量系统及测量方法 Download PDF

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Abstract

一种新型的三维扫描的自旋浓度测量系统，主要由激光聚焦调节系统、荧光采集系统和金刚石位移台。由激光通过共聚焦系统配合激光聚焦调节系统实现在网格化的金刚石上定点测量及聚焦深度的调节，其中聚焦压电组实现共聚焦系统聚焦深度调节，其主要由扭动压电组和伸缩压电组以间隔穿插的方式组成，通过运动配合来实现凸透镜的聚焦深度调节；金刚石由激发所产生的荧光通过PD采集后经数据采集卡传入计算机；金刚石固定于金刚石位移台，金刚石位移台实现nm尺度平面移动。测量系统将金刚石分为m层，每层分为nxn个矩阵网格，激光聚焦于nxnxm个网格内进行NV激发并采集荧光，计算每个格点的浓度实现三维浓度的扫描。

Description

一种新型的三维扫描的自旋浓度测量系统及测量方法
技术领域
本发明属于量子精密测量领域，尤其涉及金刚石NV-自旋浓度测量方法，具体为一种新型的三维扫描的自旋浓度测量系统及测量方法。
背景技术
随着科技的不断前进，精密磁测量已经成为了现阶段的一个研究热点。为了得到更高灵敏度的磁信息，我们需要对各个可以实现磁信息测量的工具进行研究、对比，以得到最优化的精密测量工具并应用于各研究领域中。而现阶段，为了得到高灵敏度的磁信息检测，研究者们已经将重心转移到了利用电子自旋进行的磁信息检测的研究和控制。目前针对各种类型精密磁信息测量系统中存在的使用环境要求高，系统稳定性不高等问题，开展了利用金刚石NV色心电子自旋进行磁信息测量的基础研究，期望为未来的基于NV色心电子自旋的高灵敏度原子磁强计的应用奠定基础。目前金刚石NV色心电子自旋的产生基础是制备含有NV色心的金刚石，目前的研究NV色心的电子自旋主要有单NV色心电子自旋和集群NV色心，现已有对于单个NV色心的荧光采集测量手段，但对于集群NV色心的金刚石在NV浓度的测量与表征方面仍是一片空白，是急需进行要就并提出一种可靠测量方法的领域，这将会对实现基于NV色心的高灵敏度磁强计以及基于NV色心的研究具有深远的影响和重大的意义。
目前针对于金刚石NV色心的浓度采集多采用532nm的激光进行激发，并采集其由电子跃迁后产生的荧光并使用共聚焦显微成像观察，依次对整体的NV色心的浓度进行估算，但无法对金刚石进行三维扫描得到每一个面乃至每一层每一点的NV荧光强度，并根据单个NV对应的荧光强度计算出三维NV浓度矩阵。
发明内容
本发明的目的是从三维层面实现对金刚石整体及局部的自旋浓度测量，需要实现nm尺度的聚焦激光光斑大小，nm尺度精度mm尺度行程的激光聚焦调节系统；另一方面，在测量金刚石对金刚石某一待测量层进行网格划分时需要nm尺度的步进精度，行程也需要达到mm尺度，为此提出了两种由压电陶瓷组成的高精度驱动装置，分别为聚焦压电组与金刚石位移台。并开创性的提出了对于金刚石三维立体自旋浓度测量的方法，区别于传统的整体自旋浓度的测量，可以做到精准定位，精确测量乃至可以对金刚石三维层面上进行浓度测量和表征。
本发明所实现的NV-浓度测量，采用的是激光共聚焦技术，将实验样片金刚石放置于金刚石位移台上，根据样品的尺寸和实验的要求，对金刚石进行三维网格划分，以进行后续实验，采用光学元件对激光进行多次聚焦等手段将nm尺度的激光焦点照射于金刚石的格点中。
本发明为实现高精度的激光聚焦调节系统，巧妙的设计了间隔式组合压电片组，通过间隔穿插安置的扭动压电组和伸缩压电组配合驱动来实现凸透镜的高精度移动，以此来实现对金刚石不同深度的自旋浓度测量，达到三维扫描的效果。为实现金刚石在平面内的高精度移动而提出的金刚石位移平台通过放置于其下部四个角点的四个压电驱动座进行驱动，压电驱动座由固定于底部固定座内壁的五个扭摆压电组直接驱动间接驱动球来对载物台进行驱动。通过激光聚焦调节系统实现对不同深度的自旋浓度测量，配合在平面内达到nm运动精度的金刚石位移平台进行每一深度面的矩阵网格划分，并对每个网格点进行浓度测量，并依次得到整体三维扫描浓度数据，此数据为三维矩阵，并根据单个NV色心荧光强度的比例，得到金刚石三维浓度数据。
为了达到上述目的，本发明实现目的所采用的技术方案是：
一种新型的三维扫描的自旋浓度测量系统，包括激光聚焦调节系统、荧光采集系统和金刚石位移台；
所述激光聚焦调节系统包括聚焦压电组、激光器、第一小孔、第二小孔、偏振片、第一凸透镜、第二凸透镜和二色镜；激光器发射的激光经过第一小孔后再通过偏振片出来偏振光，再经过第一凸透镜聚焦后经过第二小孔后再由第二凸透镜聚焦后经二色镜反射，由聚焦压电组进行精准聚焦照射于金刚石上；
所述聚焦压电组包括间隔式组合压电片组、凸透镜、凸透镜固定架和外部固定架；凸透镜安装于凸透镜固定架的内部，凸透镜固定架与外部固定架之间采用间隔式组合压电片组连接；间隔式组合压电片组包括扭动压电组和伸缩压电组，扭动压电组和伸缩压电组中的压电片间隔穿插排布；
所述荧光采集系统包括光电探测器（PD）、数据采集卡和计算机，金刚石激发产生的荧光经过聚焦压电组、二色镜被PD检测到后经过数据采集卡将数据传入计算机；
所述金刚石位移台包括金刚石、载物台、摩擦板和压电驱动座，金刚石固定于载物台上，载物台下方与摩擦板固定连接，在摩擦板的四个角点处分别安装压电驱动座；压电驱动座包括间接驱动球、扭摆压电组和底部固定座，底部固定座呈五面体盒子状，其内部五个面的中心安装扭摆压电组，扭摆压电组与间接驱动球连接，间接驱动球与位于其上方的摩擦板接触，并带动摩擦板进行移动。
本发明的新型三维扫描自旋浓度测量系统的工作方法，具体为：
激光器发射的激光通过小孔以及偏振片保证激光的偏振性后经过凸透镜聚光然后再经过双色镜反射，通过聚焦压电组对激光聚焦点大小和距离进行调节，激光点聚焦于金刚石表面，驱动金刚石位移台进行网格化分后的格点激光扫描，当一层扫描完成后，聚焦压电组调节聚焦深度，对更深层的金刚石NV进行激发。荧光通过聚焦压电组、二色镜后被PD采集经过数据采集卡后将数据传入计算机。
上述的一种新型的三维扫描的自旋浓度测量系统的测量方法，测量系统将金刚石在竖直方向（z方向）划分为m层，每一层根据设定在水平面（x y平面）划分为n x n个矩形网格，实现三维n x n x m个网格块的划分，运用激光共聚焦技术将激光分别聚焦于同一层的n x n个网格点内测量得到一个面的n x n个网格点的荧光强度；再将激光聚焦于下一层的n x n个网格点进行测量，依次类推得到整体三维荧光强度矩阵；由于单个NV色心对应的荧光强度是已知的，通过其线性关系可以求解得到金刚石NV色心整体三维浓度。
本发明较现有技术所具有的特点和有益效果主要是：
1、本发明采用的聚焦压电组可以实现nm尺度的移动精度，且行程较大，可以实现高精度且对行程要求较大的情况，并可以持续移动，是目前所未实现的。
2、本发明采用的金刚石位移台可以实现平台持续大行程高精度的持续移动，这是目前在此领域所未实现的。
3、本发明所实现的三维扫描金刚石自旋浓度测量可以进行精准定位和精准测量，与现有的集群NV色心的整体笼统测量具有开创性意义。
4、本发明进行金刚石整体三维网格划分可以进行高精度的浓度测量具有开创性意义。
附图说明
图1为本发明一种新型的三维扫描的自旋浓度测量系统框图。
图2为本发明单面金刚石NV自旋浓度测量实验示意图。
图3为本发明三维扫描的金刚石NV自旋浓度测量实验示意图。
图4为聚焦压电组示意图。
图5为图4的俯视图。
图6为聚焦压电组工作示意图。
图7为本发明设计的金刚石位移台示意图。
图8为金刚石位移台的压电驱动座示意图。
图中：1-激光聚焦调节系统；2-荧光采集系统；3-金刚石位移台。
1-1-聚焦压电组；1-2激光器；1-31-第一小孔；1-32-第二小孔；1-4 偏振片；1-51-第一凸透镜、1-52-第二凸透镜；1-6 二色镜；1-1-1-间隔式组合压电片组；1-1-2-凸透镜；1-1-3-凸透镜固定架；1-1-4-外部固定架；1-1-1-1-扭动压电组；1-1-1-2-伸缩压电组。
3-1-金刚石；3-2-载物台；3-3-摩擦板；3-4-压电驱动座；
3-4-1-间接驱动球；3-4-2-扭摆压电组；3-4-3-底部固定座。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步详细说明，但本发明保护范围不限于下述实施例，凡采用等同替换或等效变换形式获得的技术方案，均在本发明保护范围之内。
如附图1所示，为本发明实施例的一种新型的三维扫描的自旋浓度测量系统，主要由激光聚焦调节系统1、荧光采集系统2以及金刚石位移台3构成。
如附图2和附图3所示，为本发明实现三维浓度测量计算的实验方法，金刚石每层分为nxn个网格点，这里以8x8为例，可以分为m层，这里以14层为例。
本发明所实现的NV-浓度测量，采用的是激光共聚焦技术，将实验样片金刚石放置于金刚石位移台上，根据样品的尺寸和实验的要求，对金刚石进行三维网格划分，以进行后续实验，这里假设将金刚石分割为14层，每一层分割成8x8的网格。采用光学元件对激光进行多次聚焦等手段将nm尺度的激光焦点照射于金刚石的格点中。第一层设定为a层，根据行列，将其划分为a11,a12，a13，……使用物镜对准每一个网格点采集每层每个格点的荧光得到一个三维荧光强度矩阵C1为
根据已有的单个NV色心对应的荧光强度可以得到：
(1)
由可得到：
(2)
因为k可由文献计算得到，将得到的三维荧光强度矩阵C1每一个数值分别除以k可以得到三维浓度矩阵C2
激光聚焦调节系统1包括聚焦压电组1-1、激光器1-2、第一小孔1-31、第二小孔1-32、偏振片1-4、第一凸透镜1-51、第二凸透镜1-52和二色镜1-6；激光器1-2发射的激光经过第一小孔1-31后再通过偏振片1-4出来偏振光，再经过第一凸透镜1-51聚焦后经过第二小孔1-32后再由第二凸透镜1-52聚焦后经二色镜1-6反射，由聚焦压电组1-1进行精准聚焦照射于金刚石上。激光器发射出532nm激光通过聚焦系统后经过聚焦压电组集成凸透镜聚焦光斑为10nm对金刚石进行定点激发。
进一步说明，所述聚焦压电组1-1由间隔式组合压电片组1-1-1、凸透镜1-1-2、凸透镜固定架1-1-3和外部固定架1-1-4组成。圆形的凸透镜1-1-2安装于方管状凸透镜固定架1-1-3的内部，凸透镜固定架1-1-3外围是方形与外部固定架1-1-4之间采用间隔式组合压电片组1-1-1连接。进一步说明，所述间隔式组合压电片组1-1-1中的扭动压电组1-1-1-1和伸缩压电组1-1-1-2间隔一定距离穿插排布。
所述荧光采集系统2是将金刚石3-1激发产生的荧光经过聚焦压电组1-1、二色镜1-6被PD检测到后经过数据采集卡将数据传入计算机进行运算分析。
如附图6所示，为本发明设计的聚焦压电组1-1工作示意图，其工作方式为：聚焦压电组1-1实现凸透镜1-1-2竖直方向位置调节，由原始状态首先扭动压电组1-1-1-1向上摆动此时伸缩压电组1-1-1-2保持伸出状态抵住凸透镜固定架1-1-3外部防止移动，扭动压电组1-1-1-1完成向上摆动动作后，进行压合同时伸缩压电组1-1-1-2缩回，扭动压电组1-1-1-1带动凸透镜固定架1-1-3向下运动定位后，伸缩压电组1-1-1-2伸出压合定位，扭动压电组1-1-1-1向上摆动，以此往复实现了凸透镜1-1-2高精度的向下运动。通过扭动压电组与伸缩压电组配合运动来实现凸透镜的竖直方向nm尺度的运动，并可以实现大行程的运动，实现金刚石不同深度的浓度检测。
如附图7和附图8所示，为本发明实施例的一种新型的三维扫描的自旋浓度测量系统的金刚石位移台3。
所述金刚石位移台3由金刚石3-1，载物台3-2，摩擦板3-3，压电驱动座3-4组成。金刚石3-1固定于载物台3-2的中心，载物台3-2为矩形，其下方与摩擦板3-3固定连接，在摩擦板3-3的四个角点处分别安装有压电驱动座3-4；所述压电驱动座3-4，由间接驱动球3-4-1，扭摆压电组3-4-2，底部固定座3-4-3组成，底部固定座3-4-3呈五面体盒子状，其内部五个面的中心安装有扭摆压电组3-4-2，扭摆压电组3-4-2与间接驱动球3-4-1连接并驱动。间接驱动球3-4-1与位于其上方的摩擦板3-3接触，并带动摩擦板3-3进行移动。
本发明的新型三维扫描自旋浓度测量系统中的金刚石位移台工作方法，具体为：设图7中载物台向X正方向移动，以左侧的压电驱动座为例，左侧的扭摆压电组缓慢向上偏转，下方的扭摆压电组缓慢向左偏转，右侧的扭摆压电组缓慢向下偏转，此动作实现了间接驱动球顺时针转动，并带动摩擦板和载物台向X正方向移动，移动到位后；左侧的扭摆压电组快速向下偏转，下方的扭摆压电组快速向有偏转，右侧的扭摆压电组快速向上偏转，由于惯性作用且摩擦力较小原因，间接驱动球不转动；随后，左侧的扭摆压电组缓慢向上偏转，下方的扭摆压电组缓慢向左偏转，右侧的扭摆压电组缓慢向下偏转，此动作实现了间接驱动球顺时针转动，并带动摩擦板和载物台向X正方向移动，以此往复实现了载物台向X正方向的移动。
以上仅为本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种新型的三维扫描的自旋浓度测量系统，其特征在于包括激光聚焦调节系统（1）、荧光采集系统（2）和金刚石位移台（3）；
所述激光聚焦调节系统（1）包括聚焦压电组（1-1）、激光器（1-2）、第一小孔（1-31）、第二小孔（1-32）、偏振片（1-4）、第一凸透镜（1-51）、第二凸透镜（1-52）和二色镜（1-6）；激光器（1-2）发射的激光经过第一小孔（1-31）后再通过偏振片（1-4）出来偏振光，再经过第一凸透镜（1-51）聚焦后经过第二小孔（1-32）后再由第二凸透镜（1-52）聚焦后经二色镜（1-6）反射，由聚焦压电组（1-1）进行精准聚焦照射于金刚石上；
所述聚焦压电组（1-1）包括间隔式组合压电片组（1-1-1）、凸透镜（1-1-2）、凸透镜固定架（1-1-3）和外部固定架（1-1-4）；凸透镜（1-1-2）安装于凸透镜固定架（1-1-3）的内部，凸透镜固定架（1-1-3）与外部固定架（1-1-4）之间采用间隔式组合压电片组（1-1-1）连接；间隔式组合压电片组（1-1-1）包括扭动压电组（1-1-1-1）和伸缩压电组（1-1-1-2），扭动压电组（1-1-1-1）和伸缩压电组（1-1-1-2）中的压电片间隔穿插排布；
所述荧光采集系统（2）包括光电探测器、数据采集卡和计算机，金刚石（3-1）激发产生的荧光经过聚焦压电组（1-1）、二色镜（1-6）被PD检测到后经过数据采集卡将数据传入计算机；
所述金刚石位移台（3）包括金刚石（3-1）、载物台（3-2）、摩擦板（3-3）和压电驱动座（3-4），金刚石（3-1）固定于载物台（3-2）上，载物台（3-2）下方与摩擦板（3-3）固定连接，在摩擦板（3-3）的四个角点处分别安装压电驱动座（3-4）；压电驱动座（3-4）包括间接驱动球（3-4-1）、扭摆压电组（3-4-2）和底部固定座（3-4-3），底部固定座3-4-3呈五面体盒子状，其内部五个面的中心安装扭摆压电组（3-4-2），扭摆压电组（3-4-2）与间接驱动球（3-4-1）连接，间接驱动球（3-4-1）与位于其上方的摩擦板（3-3）接触，并带动摩擦板（3-3）进行移动。
2.根据权利要求1所述的一种新型的三维扫描的自旋浓度测量系统的测量方法，其特征在于测量系统将金刚石在竖直方向划分为m层，每一层根据设定在水平面划分为n x n个矩形网格，实现三维n x n x m个网格块的划分，运用激光共聚焦技术将激光分别聚焦于同一层的n x n个网格点内测量得到一个面的n x n个网格点的荧光强度；再将激光聚焦于下一层的n x n个网格点进行测量，依次类推得到整体三维荧光强度矩阵；由于单个NV色心对应的荧光强度是已知的，通过其线性关系可以求解得到金刚石NV色心整体三维浓度。
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