CN108469536A - 基于金刚石nv色心的三轴加速度传感器 - Google Patents

基于金刚石nv色心的三轴加速度传感器 Download PDF

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郭浩
唐军
石云波
赵锐
刘文耀
杜芳芳
王磊
阴世豪
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    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/18—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration in two or more dimensions

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Abstract

本发明设计了一种基于金刚石NV色心的三轴加速度传感器，采用金刚石NV色心作为敏感元件，利用532nm的激光激发NV色心，在外加微波的条件下会发出荧光，通过收集和数据处理系统可以得到ODMR光谱。建立一个三维坐标轴，在某一方向施加磁场会得到相应的ODMR光谱，通过与已知的在三个坐标方向施加磁场得到的ODMR光谱进行比较，可以得到外加磁场的方向，通过测量ODMR光谱中两个荧光强度峰值之间的共振频率差就能得到外加磁场的磁场强度。而外加磁场的大小和方向与加速度的大小和方向相关，从而可以测出加速度的方向和大小，实现三轴加速度传感器的设计目标。

Description

基于金刚石NV色心的三轴加速度传感器
技术领域
本发明涉及加速度传感器的技术领域，具体为一种基于金刚石NV色心的三轴加速度传感器。
背景技术
加速度传感器又称加速度计，是测量物体运动状态的一种非常重要的检测器件，是工业、国防等许多领域中进行冲击、振动、导航等常用的测量仪器。随着科学技术的发展，出现了各种类型和结构的加速度传感器，主要有MEMS加速度计、晶振加速度计、陀螺加速度计等，但是随着技术的日趋成熟，这些加速度计指标的提高已经变得困难。为了获得更高的测量精度和灵敏度，以及仪器设备的小型化，量子物理的理念与技术逐渐被应用于仪器设备中，基于金刚石NV色心的量子物理的研究也取得了很大进展。利用金刚石NV色心的顺磁性和光学性质，可以实现超高灵敏磁场测量，将金刚石NV色心作为加速度的敏感单元，可以实现超高灵敏的加速度测量。同时，利用金刚石NV色心为正四面体结构，NV轴存在4个方向，不同方位的磁场变化在4个方向的作用不同，从而可以判断变化磁场的方位，由此可以设计出三轴加速度传感器。
发明内容
本发明针对金刚石NV色心的良好的光学特性、顺磁性和退相干特性，提出一种基于金刚石NV色心的三轴加速度计。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种基于金刚石NV色心的三轴加速度传感器，包括金刚石、PCB天线、半导体激光器、微波源、光电探测器、示波器、滤光片、平凸镜、二向色镜、物镜、永磁铁、弹簧、固定台及光路构成；
所述半导体激光器发出的激光经二向色镜和物镜照射金刚石，微波源产生的微波通过PCB天线发射并作用于金刚石NV色心上，NV色心激发态电子将与微波发生共振并发出的荧光依次经过物镜、二向色镜、平凸镜、滤光片后被光电探测器收集，光电探测器输出电信号至示波器后显示出ODMR光谱；
所述固定台内通过三个方向的弹簧固定永磁体，所述永磁体位于金刚石后方。
本发明的设计原理为：金刚石NV色心的对称轴为由氮和空穴形成的晶轴，称为NV轴，NV色心为正四面体结构，NV轴存在4个方向。对于某一位置磁场的变化，不同方向的NV轴所能感受到的磁场强度是不同的，建立一个坐标系，对坐标系的不同轴向施加磁场，磁场在4个NV轴方向上的投影不同，对NV色心激发态电子与微波磁场产生共振辐射出荧光的收集和数据处理形成的ODMR光谱也不相同，而且光谱中两个共振频率的差值与磁场强度有着一定的线性关系，通过测量共振频率差就可以得到外加磁场的磁场强度。基于此原理设计出的加速度计，可以根据ODMR光谱判断出加速度变化的方向及大小，达到设计目的。
工作时，半导体激光器发出的激光经光路照射金刚石，对金刚石内的NV色心起到极化作用。微波源产生的微波通过微带天线发射，作用在金刚石NV色心上。NV色心激发态电子将与微波发生共振并发出600nm～800nm的荧光，荧光经过光路后被光电探测器所收集，在示波器上显示出ODMR光谱。对于NV色心，在只有外加微波而没有外加磁场时，有1个荧光强度峰值，外加磁场后，由于塞曼效应，NV色心的能级会发生分裂，从而出现2个荧光强度峰值，而且两个荧光强度的峰值所对应的两个共振频率的差值与磁场强度有着一定的线性关系，通过测量两个荧光强度峰值之间的共振频率差就可以得到外加磁场的磁场强度。同时由于不同的轴向施加磁场得到的ODMR光谱不同，通过对测得光谱与已知的不同轴向磁场产生的ODMR光谱进行比较可以得到外加磁场的方向。由于加速度的改变引起永磁铁与金刚石相对位置发生改变，从而影响外加磁场的改变。通过测量外加磁场的方向和大小得到加速度的方向和大小。
具体的加速度测量方法如下：
1、当用532nm的激光辐照NV色心金刚石时，NV色心电子从基态将被激发到激发态，由于NV色心电子激发态特有的激发态能级结构在电子回落到基态时会发出一定强度的荧光。NV色心激发态电子将与微波发生共振并发出600nm～800nm的荧光。NV色心的基态能级为三重态，存在2.87Ghz的零场分裂，即当微波频率为2.87Ghz时NV色心电子能级发生分裂。在感受到外加的磁场后，金刚石电子基态能级在微波源2.85～2.89Ghz的扫描下，可以得到相应的ODMR光谱。
2、通过加速度影响磁场，外界的加速度作用于固定台上，加速度的改变引起永磁铁与金刚石相对位置发生改变，从而影响外加磁场的变化，由于不同方向磁场对应的ODMR光谱的类型不同，不同大小磁场下的ODMR光谱的两个共振峰值之间的共振频率差值不同，通过对ODMR光谱的类型判断以及通过磁场将加速度大小和ODMR光谱中两个共振峰值之间的共振频率差值两者建立线性关系，得到外加磁场的方向和大小，从而实现了加速度方向和大小的测量。
本发明对研制新一代基于金刚石NV色心的三轴加速度传感器有着重要的意义和价值，将服务于未来各个领域，特别是对灵敏度要求较高的电子、国防、航空航天等的加速度测量。
附图说明
图1表示本发明的三轴加速度传感器的结构示意图。
图2表示本发明的工作流程图。
图中：1-金刚石，2-PCB天线，3-半导体激光器，4-微波源，5-光电探测器，6-示波器，7-滤光片，8-平凸镜，9-二向色镜，10-物镜，11-永磁铁，12-弹簧，13-固定台。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。
一种基于金刚石NV色心三轴加速度传感器，由金刚石1，PCB天线2，半导体激光器3，微波源4，光电探测器5，示波器6，7-滤光片，8-平凸镜，9-二向色镜，10-物镜，永磁铁11，弹簧12及固定台13构成，具体连接关系如图1所示：半导体激光器3发出的532nm激光经二向色镜9后通过物镜10照射在金刚石1，对金刚石1内的NV色心起到极化作用。微波源4产生的微波通过微带天线2发射，作用在金刚石NV色心上。NV色心激发态电子将与微波发生共振并发出600nm～800nm的荧光，荧光经过物镜10、二向色镜9、平凸镜8到达滤光片7，滤光片7滤除荧光波段以外的杂散光，荧光被光电探测器5所收集，在示波器6上显示出ODMR光谱。外界加速度作用在固定台13上，加速度的改变引起永磁铁11与金刚石1相对位置发生改变，从而影响外加磁场的变化。对于NV色心，在只有外加微波而没有外加磁场时，有1个荧光强度峰值，外加磁场后，由于塞曼效应，NV色心的能级会发生分裂，从而出现2个荧光强度峰值，而且两个荧光强度的峰值所对应的两个共振频率的差值与磁场强度有着一定的线性关系，通过测量两个荧光强度峰值之间的共振频率差就可以得到外加磁场的磁场强度。同时由于不同的轴向施加磁场得到的ODMR光谱不同，通过对测得光谱与已知不同轴向磁场产生的ODMR光谱进行比较可以得到外加磁场的方向。
如图2所示，本发明采用金刚石NV色心作为敏感元件，利用532nm的激光激发NV色心，在外加微波的条件下会发出荧光，通过收集和数据处理系统可以得到ODMR光谱。外加磁场的方向和强度受到加速度影响。建立一个三维坐标轴，在某一方向施加磁场会得到相应的ODMR光谱，通过与已知的在三个坐标方向施加磁场得到的ODMR光谱进行比较，可以得到外加磁场的方向，通过测量ODMR光谱中两个荧光强度峰值之间的共振频率差就能得到外加磁场的磁场强度。而外加磁场的大小和方向与加速度的大小和方向相关，从而可以测出加速度的方向和大小，实现三轴加速度传感器的设计目标。
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 (2)

1.一种基于金刚石NV色心的三轴加速度传感器，其特征在于：包括金刚石（1）、PCB天线（2）、半导体激光器（3）、微波源（4）、光电探测器（5）、示波器（6）、滤光片（7）、平凸镜（8）、二向色镜（9）、物镜（10）、永磁铁（11）、弹簧（12）、固定台（13）及光路构成；
所述半导体激光器（3）发出的激光经二向色镜（9）和物镜（10）照射金刚石（1），微波源（4）产生的微波通过PCB天线（2）发射并作用于金刚石（1）NV色心上，NV色心激发态电子将与微波发生共振并发出的荧光依次经过物镜（10）、二向色镜（9）、平凸镜（8）、滤光片（7）后被光电探测器（5）收集，光电探测器（5）输出电信号至示波器（6）后显示出ODMR光谱；
所述固定台（13）内通过三个方向的弹簧（12）固定永磁体（11），所述永磁体（11）位于金刚石（1）后方。
2.根据权利要求1所述的基于金刚石NV色心的三轴加速度传感器，其特征在于：所述PCB天线（2）为Ω形微带天线，中心频率为2.87GHz。
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