CN108061548B - 一种集成化金刚石nv荧光高效激发与收集系统 - Google Patents

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Abstract

一种集成化金刚石NV荧光高效激发与收集系统，由532nm激光囚禁球、反光镜、滤波片以及光电转化器组成。其中532nm激光囚禁球底部固定有激光二极管，并由两片凸透镜分别将其产生的激光变为平行光后再次聚光，通过偏振片后聚焦于金刚石上，532nm波长的激光经金刚石反射折射等作用后当其照射于囚禁球的外边缘受到镀膜的作用会全发射再次照射在位于球心出的金刚石上进行高效多次激发；同时金刚石NV受激发所产生的637nm荧光通过囚禁球外边缘的镀膜照射于反射镜上经全反射后经过滤波片被光电转化器收集传至数据采集卡后进入计算机，此种方式开创性的提出新型金刚石NV荧光激发与收集集成方案，并提高了荧光的激发与收集效率，实现了金刚石高效激发的光囚禁技术。

Description

一种集成化金刚石NV荧光高效激发与收集系统
技术领域
本发明属于量子领域与微装配领域，涉及一种金刚石NV荧光激发与收集系统，更具体为一种集成化金刚石NV荧光高效激发与收集系统。
背景技术
荧光是自然界常见的一种发光现象。通常原子核外电子受到激发从基态S0跃迁到激发态S1后，会通过非辐射跃迁的方式快速降落在最低振动能级，随后由最低振动能级回到基态，以光子辐射的形式释放出能量，具有这种性质的出射光称为荧光。
原子陀螺是近几年发展起来的新技术，主要通过激光抽运的方式对目标电子进行极化来感知外部载体转动（自旋极化）。依靠目标原子自旋制成的陀螺具有体积小、灵敏度高等优点，是未来陀螺技术发展的新方向。金刚石氮空位色心（NV色心）陀螺是结合量子操控、量子材料、半导体激光和微纳集成技术提出来的最新型固态原子陀螺，是近几年发展起来的原子陀螺技术，国内外还处于原理验证阶段。NV色心在室温下具有优异的光读出、极化性质以及毫秒量级的相干时间，是目前最成功的自旋磁共振体系之一。
基于NV色心的原子自旋启动时间极短（μs），稳定性高，对磁场和温度的要求低，具有优良的角速率敏感特性，可以实现三个方向的角速率信息测量，互相耦合低；金刚石陀螺具有高灵敏度的潜力，采用目前比较成熟的检测技术，随机游走可达到
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，满足战术级惯性导航与制导的应用需求，随着金刚石中光抽运技术的快速发展，未来有望达到惯性级的技术指标。
NV色心核磁共振传感作为一类光学读出传感技术，目前的实现手段采用532激光经过一系列光学元件后通过二色镜的反射后通过数值孔径很高的物镜对金刚石NV进行激发并采用靠近金刚石的物镜进行荧光采集后通过二色镜被其后的PD进行采集。这种方式效率低，虽然采用了大数值孔径的物镜，但由于金刚石本身的折射率为2.4，进过计算可以得到荧光的出射角约为24.6度，那么可以得到在共聚焦系统下荧光光子的收集效率为8%，而检测的效率更是不足2%，在信号微弱时，激发的荧光信号非常微弱，物镜收集效率有限，同时在传播过程中光子在镜片上的损耗，当荧光到达光电探测器的时候已经不足以产生光电流信号，共聚焦测量已经满足不了系统的测量需求。并且未来的NV色心核磁共振作为传感来使用不可避免的需要进行集成化，所以集成化是大势所趋，如何在不降低其激发与收集效率的同时进行集成化一直是研究的热点，单纯的减小光学元件的尺寸以便进行集成化难以满足实现真正的集成化同时难免降低了激发与收集效率，这就需要一种新型的集成化激发与采集方案。
发明内容
本发明的目的是为了实现金刚石NV荧光激发与收集系统的集成化，并且提高金刚石NV荧光激发与收集效率。
本发明巧妙的利用了光学滤波镀膜技术以及透明凝固液体浇筑技术进行了集成化设计以及微装配的实现。并将顶部具有大角度反射作用回避囚禁球的反射镜与532nm激光囚禁球结合，实现了对金刚石NV的高效激发与采集。
为了达到上述目的，本发明实现目的采用的技术方案为：
一种集成化金刚石NV荧光高效激发与收集系统，包括532nm激光囚禁球、反光镜、滤波片以及光电转化器，其中所述532nm激光囚禁球通过以下方法制备，下球模放置于平台上，将激光二极管放置于下球模下部中心处的孔中，下球模中注入透明凝固液体，放入第一凸透镜，待凝固后计算好距离注入透明凝固液体并放入聚光使用的第二凸透镜，待凝固后再次注入透明凝固液体，随后放入偏振片，待凝固后注入透明凝固液体放置第三凸透镜，待凝固后注入透明凝固液体在球心处放置金刚石后盖上上球模，从其顶部的孔注入透明凝固液体，待整体凝固后取出，对其表面进行打磨抛光处理工艺，随后镀膜完成囚禁球体加工，反光镜通过以下方法制备，透明凝固液体在棱锥模内凝固后脱模，在脱模后的棱锥体上端面加工全反射小棱镜，然后在侧面和上端棱镜侧面镀膜，反光镜侧面和全反射小棱镜实现637nm荧光全反射，所述的囚禁球体嵌入到反光镜内，反光镜下端面上固定滤波片以及光电转化器。
本发明的集成化金刚石NV荧光高效激发与收集系统的工作方式，具体为：
532nm激光囚禁球底部固定的激光二极管发射的激光经过第一凸透镜和第二凸透镜分别将产生的激光变为平行光后再次聚光，通过偏振片后再经过第三凸透镜聚焦于固定在囚禁球体的球心处的金刚石上，532nm波长的激光经金刚石反射折射等作用后当其照射于囚禁球体的外边缘受到镀膜的作用会全发射再次照射在位于球心出的金刚石上如此反复进行高效多次激发，大大提高了金刚石NV色心的激发效率；同时金刚石NV受激发所产生的637nm荧光发散出去后可以通过囚禁球体外边缘的镀膜照射于顶部有大角度全反射小棱镜的棱锥状反射镜上，经全反射后经过滤波片被光电转化器收集传至数据采集卡后进入计算机进行计算分析。
本发明较现有技术所具有的特点和有益效果主要是：
1、本发明巧妙的利用透明凝固液体在不阻碍光传播的情况下对光学元件进行了集成化封装。
2、本发明采用了二色镜镀膜加工技术，对囚禁球外表面进行镀膜加工实现了对532nm激光的全反射对637nm荧光的通过。实现了对金刚石多次高效激发实现了光囚禁。
3、本发明采用了整体外形为棱锥状，下平面不反射的反射镜，其周围侧面对光进行反射，其顶部加工有许多可进行大角度全反射小棱镜，在荧光反射于其上，可以进行大角度反射后避开囚禁球，实现了对荧光的高效收集。
附图说明
图1为本发明的一种集成化金刚石NV荧光高效激发与收集系统整体示意图。
图2为本发明的金刚石NV荧光激发光路图。
图3为本发明的囚禁球加工工艺过程示意图。
图中：1-532nm激光囚禁球；2-反射镜；3-滤波片；4-光电转化器；5-下球模；6-上球模；1-1-囚禁球体；1-2-激光二极管；1-3-偏振片；1-41-第一凸透镜；1-42-第二凸透镜；1-43-第三凸透镜；1-5-金刚石。
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与图2所示，为本发明的一种集成化金刚石NV荧光高效激发与收集系统，主要由532nm激光囚禁球1、反射镜2、滤波片3与光电转化器4组成。532nm激光囚禁球由透明凝固液体进行填充将光学元件进行固定，所述囚禁球的加工用到了上下球模，并在完成注模脱模工序后，需要对其进行打磨抛光等工序后，对其外表面进行镀膜。
所述532nm激光囚禁球1由囚禁球体1-1、激光二极管1-2、偏振片1-3、第一凸透镜1-41、第二凸透镜1-42、第三凸透镜1-43和金刚石1-5组成；其中所述囚禁球体1-1其下端安装有激光二极管1-2，其发射的激光经过第一凸透镜1-41变为平行光后经过第二凸透镜1-42的聚焦后透过偏振片1-3后再经过第三凸透镜1-43的聚光后照射于金刚石1-5上，对金刚石1-5进行激发。
所述反射镜2其整体外形为棱锥状，下端平面不反射，其周围侧面对光进行反射，其顶部加工有许多可进行大角度全反射小棱镜，荧光反射于其上，可以进行大角度反射后避开囚禁球体1-1照射于下端平面被采集。
如附图3所示，为本发明所设计的532nm激光囚禁球1的加工工艺过程示意图。下球模5放置于平台上，将激光二极管1-2放置于下球模5下部中心处的孔中，下球模5中注入透明凝固液体，放入第一凸透镜1-41，待凝固后计算好距离注入透明凝固液体并放入聚光使用的第二凸透镜1-42，待凝固后再次注入透明凝固液体，随后放入偏振片1-3，待凝固后注入透明凝固液体放置第三凸透镜1-43，待凝固后注入透明凝固液体在球心处放置金刚石1-5后盖上上球模6，从其顶部的孔注入透明凝固液体，待整体凝固后取出，对其表面进行打磨抛光处理工艺，随后采用CVD镀膜实现光学滤波（该镀膜会对532nm波长激光进行全发射，可以让637nm波长荧光通过）完成囚禁球体1-1加工。如此加工的囚禁球体1-1即实现了让532nm波长激光进行全反射，637nm波长激光透过。透明凝固液体材料为PDMS。
采用CVD工艺进行镀膜实现了光学滤波效果，该镀膜会对532nm左右波段波长激光进行全发射，可以让637nm左右波段波长荧光通过。
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 (1)

1.一种集成化金刚石NV荧光高效激发与收集系统，其特征在于包括532nm激光囚禁球（1）、反光镜（2）、滤波片（3）以及光电转化器（4），所述532nm激光囚禁球（1）通过以下方法制备，下球模（5）放置于平台上，将激光二极管（1-2）放置于下球模（5）下部中心处的孔中，下球模（5）中注入透明凝固液体，放入第一凸透镜（1-41），待凝固后注入透明凝固液体并放入聚光使用的第二凸透镜（1-42），待凝固后再次注入透明凝固液体，随后放入偏振片（1-3），待凝固后注入透明凝固液体放置第三凸透镜（1-43），待凝固后注入透明凝固液体在球心处放置金刚石（1-5）后盖上上球模（6），从其顶部的孔注入透明凝固液体，待整体凝固后取出，对其表面进行打磨抛光处理工艺，随后镀膜完成囚禁球体（1-1）加工，采用CVD工艺镀膜，反光镜（2）通过以下方法制备，透明凝固液体在棱锥模内凝固后脱模，在脱模后的棱锥体上端面加工全反射小棱镜，然后在侧面和上端棱镜侧面镀膜，所述的囚禁球体（1-1）嵌入到反光镜（2）内，反光镜（2）下端面上固定滤波片（3）以及光电转化器（4），透明凝固液体材料为PDMS。
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