CN108459040A - 基于金刚石nv色心的磁悬浮加速度计的差分检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于金刚石NV色心的磁悬浮加速度计的差分检测方法，利用金刚石NV色心的高感特性，在磁场下，加入连续波和532nm激光，光核磁共振下，金刚石产生荧光，光电探测器下光信号转换电信号，示波器上产生的ODMR谱，永磁铁的运动会使两端的磁场发生变化，金刚石受到的磁场发生变化后，在示波器上产生的峰值会发生漂移，分别计算出两侧距离在静止状态下峰值间距的变化量，通过对变化量进行差分，消除误差，外部磁噪声变化导致的非线性误差，使得加速度更加准确，增加信噪比。

Description

基于金刚石NV色心的磁悬浮加速度计的差分检测方法
技术领域
本发明属于量子传感技术领域，具体涉及一种基于金刚石氮空位（NV）色心的磁悬浮加速度计的差分检测方法。
背景技术
金刚石氮空位色心具有优异的量子传感特性，自从1997年德国斯图加特的Wrachtrup研究组第一次实现单个NV色心的扫描共聚焦成像与光探测磁共振谱测量，金刚石NV色心的光探测磁共振的测量开启了金刚石在量子技术方面的应用。基于NV色心在外磁场下的塞曼分裂，在外加磁场下根据NV色心的基态哈密顿量，可以得到在任意磁场下的ODMR峰值的位置，从而推算出外磁场的大小和方向。
在各种实验测量中，实验的器件或者外部的环境都将不可避免的引入噪声，其中有些噪声是可以计算出来的，然而更多的噪声由于目前技术和认识的限制，以及某些噪声的随机性，还不能精确测定噪声的来源及大小。
本发明针对基于金刚石氮空位（NV）色心的磁悬浮加速度计，利用差分的检测方法，可消除部分噪声，提高信噪比。
发明内容
本发明针对金刚石NV色心对外磁场具有高敏高感的特性，提出了一种基于金刚石NV色心磁悬浮加速度计的差分检测方法，用以消除部分噪声，提高信噪比。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种基于金刚石NV色心的磁悬浮加速度计的差分检测方法，包括如下步骤：
（1）、搭建差分检测系统，将磁悬浮加速度计位于系统中央，永磁铁悬浮于磁悬浮加速度计内，处于静止状态，位于磁悬浮加速度计的两边依次设置金刚石、物镜、二色镜、滤光镜、光电探测器组成的光探测磁共振光路；
（2）、以532nm的激光器为光源，入射到分光镜后把激光分成两束，一束激光入射到位于磁悬浮加速度计左边的二色镜，另一束激光经过反射镜入射到位于磁悬浮加速度计右边的二色镜；
（3）、激光入射到二色镜后，二色镜反射激光后通过物镜聚焦后入射到金刚石上，微波源产生微波后分别通过微波天线辐射到两块金刚石中，金刚石的NV色心通过激光极化，吸收微波能量产生共振后发出荧光，通过物镜收集荧光后经过滤光片，由光电探测器接收；
（4）、在光电探测器接收后，光信号转化为电信号输入到示波器，输出两个ODMR谱，得到静止状态下，两个ODMR谱形中的峰值间距均为L；
（5）、当磁悬浮加速度计敏感外界加速度信号时，会使永磁铁产生位移，此时磁悬浮加速度计周围的磁场会随之产生变化，其两端的金刚石色心敏感外界磁场变化，从而使两个ODMR谱发生漂移，峰值的间距发生变化；
（6）、示波器上显示的ODMR谱中的峰值进行漂移后，其距离发生改变，对ODMR谱进行解算，分别得到变化后两个ODMR谱形中峰值间距L 1和L 2，与静止状态的峰值间距L进行比较得到∆L 1和∆L 2，在没有外界磁场干扰的情况下，∆L 1和∆L 2大小相等、方向相反，∆L 1和∆L 2的差值为零；如果存在外界磁场干扰，则∆L 1和∆L 2的差值就是外界磁场产生的磁噪声，通过改变金刚石的位置，调整∆L 1和∆L 2大小相等，消除磁噪声产生的误差，再求得加速度，提高信噪比。
本发明方法以532nm的激光器为光源，入射激光分成两束，分别入射到磁悬浮加速度计的左右两边的金刚石上，微波源产生微波后通过微波天线辐射到两块金刚石中，金刚石NV色心通过激光极化，吸收微波能量产生共振后发出荧光，由光电探测器接收。在光电探测器接收后，光信号转化为电信号，在示波器上输出ODMR谱。当磁悬浮加速度计敏感外界加速度信号时，会使其内的永磁铁产生位移，此时磁悬浮加速度计周围的磁场会随之产生变化，其两端的金刚石色心敏感外界磁场变化，从而使ODMR谱发生漂移；通过解算哈密顿量的本征方程计算出磁场的大小和方向，示波器上显示信号的振幅、频率，然后数据处理，根据静止状态下的ODMR谱峰值和峰值的间距为基准，在永磁铁的运动下，会使金刚石NV色心受到的磁场发生变化，ODMR谱峰值会发生漂移，间距发生变化，标准情况下（敏感外界加速度信号的情况下）与静止状态下ODMR谱峰值间距的差值是相同的，但会存在外部磁场产生的误差，将相应的差值再进行差分，得出的就是噪声产生的误差，消除误差，可以有效的减小磁场变化不均匀导致的磁噪声，再求得的加速度，提高信噪比。
本发明设计合理，利用金刚石中NV色心具有高敏感特性，在磁悬浮的条件下，对金刚石加入连续波和激光，使金刚石产生的荧光，由光电探测器光信号转化为电信号，示波器接收产生ODMR谱，磁场的改变会使ODMR谱中峰值距离的改变，通过与静止状态下的峰值间距进行比较，再利用差分的检测方法，得到变化量，以消除部分外部磁场产生的噪声，减少误差，提高精度。
附图说明
图1表示磁悬浮条件下差分法检测消除磁噪声的工作示意图。
图2表示差分法检测磁噪声工作流程图。
图中：1-532nm激光器、2-光电探测器、3-物镜、4-微波源、5-示波器、6-具有NV色心的金刚石、7-磁悬浮加速度计、8-分光镜、9-反射镜、10-二色镜、11-滤光镜、12-圆柱体永磁铁。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施例进行详细说明。
一种基于金刚石NV色心的磁悬浮加速度计的差分检测方法，包括如下步骤：
（1）、搭建差分检测系统，如图1所示，将磁悬浮加速度计7位于系统中央，圆柱体永磁铁12悬浮于磁悬浮加速度计7内，处于静止状态，位于磁悬浮加速度计7的两边依次设置具有NV色心的金刚石6、物镜3、二色镜10、滤光镜11、光电探测器2组成的光探测磁共振光路；
（2）、以532nm的激光器为光源，入射到分光镜8后把激光分成两束，一束激光入射到位于磁悬浮加速度计左边的二色镜10，另一束激光经过反射镜9入射到位于磁悬浮加速度计右边的二色镜10；
（3）、激光入射到二色镜10后，二色镜10反射激光后通过物镜3聚焦后入射到金刚石6上，微波源4产生微波后分别通过微波天线辐射到两块金刚石6中，金刚石的NV色心通过激光极化，吸收微波能量产生共振后发出荧光，通过物镜收集荧光后经过滤光镜11，由光电探测器2接收；
（4）、在光电探测器2接收后，光信号转化为电信号输入到示波器5，输出两个ODMR谱，得到静止状态下，两个ODMR谱形中的峰值间距均为L；
（5）、当磁悬浮加速度计7敏感外界加速度信号时，会使永磁铁12产生位移，此时磁悬浮加速度计7周围的磁场会随之产生变化，其两端的金刚石色心敏感外界磁场变化，从而使两个ODMR谱发生漂移，峰值的间距发生变化；
（6）、示波器5上显示的ODMR谱中的峰值进行漂移后，其距离发生改变，对ODMR谱进行解算，分别得到变化后两个ODMR谱形中峰值间距L 1和L 2，与静止状态的峰值间距L进行比较得到∆L 1和∆L 2，在没有外界磁场干扰的情况下∆L 1和∆L 2大小相等、方向相反，即∆L 1和∆L 2的差值为零；如果存在外界磁场干扰，则∆L 1和∆L 2的差值就是外界磁场产生的磁噪声，通过改变金刚石的位置，调整∆L 1和∆L 2大小相等（即重新调整至∆L 1和∆L 2的差值为零），消除磁噪声产生的误差，再求得加速度，提高信噪比。
上述基于磁悬浮下检测磁噪声的方法，利用金刚石NV色心的高感特性，在磁场下，加入连续波和532nm激光，光核磁共振下，金刚石产生荧光，光电探测器下光信号转换电信号，示波器上产生的ODMR谱，永磁铁的运动会使两端的磁场发生变化，金刚石受到的磁场发生变化后，在示波器上产生的峰值会发生漂移，分别计算出两侧距离在静止状态下峰值间距的变化量，通过对变化量进行差分，消除误差（外部磁噪声变化不均匀导致的非线性误差），使得加速度测量更加准确，提高测量结果（加速度）的线性度，增加信噪比。
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 (1)

1.一种基于金刚石NV色心的磁悬浮加速度计的差分检测方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）、搭建差分检测系统，将磁悬浮加速度计（7）位于系统中央，永磁铁（12）悬浮于磁悬浮加速度计（7）内，处于静止状态，位于磁悬浮加速度计（7）的两边依次设置金刚石（6）、物镜（3）、二色镜（10）、滤光镜（11）、光电探测器（2）组成的光探测磁共振光路；
（2）、以532nm的激光器为光源，入射到分光镜（8）后把激光分成两束，一束激光入射到位于磁悬浮加速度计左边的二色镜，另一束激光经过反射镜（9）入射到位于磁悬浮加速度计右边的二色镜；
（3）、激光入射到二色镜后，二色镜反射激光后通过物镜聚焦后入射到金刚石上，微波源（4）产生微波后分别通过微波天线辐射到两块金刚石（6）中，金刚石的NV色心通过激光极化，吸收微波能量产生共振后发出荧光，通过物镜收集荧光后经过滤光片，由光电探测器（2）接收；
（4）、在光电探测器（2）接收后，光信号转化为电信号输入到示波器（5），输出两个ODMR谱，得到静止状态下，两个ODMR谱形中的峰值间距均为L；
（5）、当磁悬浮加速度计（7）敏感外界加速度信号时，会使永磁铁（12）产生位移，此时磁悬浮加速度计（7）周围的磁场会随之产生变化，其两端的金刚石色心敏感外界磁场变化，从而使两个ODMR谱发生漂移，峰值的间距发生变化；
（6）、示波器（5）上显示的ODMR谱中的峰值进行漂移后，其距离发生改变，对ODMR谱进行解算，分别得到变化后两个ODMR谱形中峰值间距L 1和L 2，与静止状态的峰值间距L进行比较得到∆L 1和∆L 2，在没有外界磁场干扰的情况下，∆L 1和∆L 2大小相等、方向相反，∆L 1和∆L 2的差值为零；如果存在外界磁场干扰，则∆L 1和∆L 2的差值就是外界磁场产生的磁噪声，通过改变金刚石的位置，调整∆L 1和∆L 2大小相等，消除磁噪声产生的误差，再求得加速度，提高信噪比。
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